RU216059U1

RU216059U1 - Digital Spectral Ratio Pyrometer

Info

Publication number: RU216059U1
Application number: RU2022117482U
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Шилин; Ван Биен Мак; Ирина Александровна Коптелова; Рамез Ганиевич Атаманюк
Filing date: 2022-06-28
Publication date: 2023-01-16

Abstract

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения температуры нагретых изделий, и может быть использована при производстве проката, поковок и обечаек. Указанный технический результат достигается тем, что цифровой пирометр спектрального отношения содержит оптически связанные объектив, два светофильтра и фотоприемник, соединенный с блоком определения отношения двух сигналов, соответствующих разным спектральным участкам, а фотоприемник пирометра выполнен двухэлементным и установлен неподвижно, два выхода которого соединены с блоком определения отношения двух постоянных сигналов, соответствующих разным спектральным участкам, и выполненном на базе аналого-цифрового развертывающего преобразователя (АЦП) с двухтактным интегрированием, в качестве второго входа которого используется вход опорного источника напряжения преобразователя. Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности измерения температуры изделий.

The utility model relates to control and measuring equipment, namely to devices for measuring the temperature of heated products, and can be used in the production of rolled products, forgings and shells. The specified technical result is achieved in that the spectral ratio digital pyrometer contains an optically coupled lens, two light filters and a photodetector connected to a unit for determining the ratio of two signals corresponding to different spectral regions, and the pyrometer photodetector is made of two elements and is fixedly installed, two outputs of which are connected to the determination unit the ratio of two constant signals corresponding to different spectral regions, and made on the basis of an analog-to-digital scanning converter (ADC) with push-pull integration, the second input of which is the input of the reference voltage source of the converter. The technical result of the claimed utility model is to increase the accuracy of measuring the temperature of products.

Description

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения температуры нагретых изделий, и может быть использовано при производстве проката, поковок и обечаек.The utility model relates to control and measuring equipment, namely to devices for measuring the temperature of heated products, and can be used in the production of rolled products, forgings and shells.

Известны оптико-электронные системы измерения температуры изделий с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала, содержащие логарифмические преобразователи (Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с 80). Known optoelectronic systems for measuring the temperature of products with pulse-width modulation of the output signal containing logarithmic converters (Poskachey A.A., Chubarov E.P. Optoelectronic temperature measurement systems. - M.: Energoatomizdat, 1988, p. 80).

Этим оптико-электронным системам присущи следующие недостатки: ограниченная точность измерения, обусловленная зависимостью параметров полупроводниковых элементов логарифмических преобразователей от внешних температурных условий; сложность и трудоемкость настройки таких систем, а именно нелинейных характеристик логарифмических полупроводниковых преобразователей.These optoelectronic systems have the following disadvantages: limited measurement accuracy due to the dependence of the parameters of semiconductor elements of logarithmic converters on external temperature conditions; the complexity and laboriousness of setting up such systems, namely the nonlinear characteristics of logarithmic semiconductor converters.

Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является цифровой пирометр спектрального отношения, содержащий вибратор с фотоприемником, составной светофильтр, усилитель фототока с блоком автоматической регулировки, состоящим из пик-детектора, задатчика и дифференциального усилителя, соединенного с элементом управления усилителя фототока, триггер Шмитта, одновибратор, блок вычитания, соединенный с коммутатором, соединяющего усилитель с цепью из генератора сигналов, триггера Шмитта и инвертора, подключенного к управляющему входу коммутатора через логический элемент И, ко второму входу которого подключен триггер, а коммутатор соединяет генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов (патент РФ №2077706, G01J 5/28, G01J 5/62, 1994).The closest in technical essence to the utility model is a digital spectral ratio pyrometer containing a vibrator with a photodetector, a composite light filter, a photocurrent amplifier with an automatic adjustment unit, consisting of a peak detector, a master and a differential amplifier connected to the control element of the photocurrent amplifier, a Schmitt trigger, a single vibrator, a subtraction unit connected to a switch that connects an amplifier to a circuit of a signal generator, a Schmitt trigger and an inverter connected to the control input of the switch through an AND logic element, to the second input of which the trigger is connected, and the switch connects the clock pulse generator to the pulse counter (patent RF No. 2077706, G01J 5/28, G01J 5/62, 1994).

Это измерительное устройство имеет низкую точность измерения, обусловленную использованием метода определения отношений двух амплитуд сигналов, реализующим автоматическую стабилизацию одной последовательности и генератором периодических сигналов специальной формы, выполненным на RC- элементах. Так как система автоматической стабилизации амплитуды имеет ошибку регулирования, а генератор периодических сигналов на аналоговых RC- элементах не может обеспечить с необходимой точностью сигнал специальной формы из-за температурной зависимости параметров генератора и сложности настройки.This measuring device has a low measurement accuracy due to the use of a method for determining the ratio of two signal amplitudes, which implements automatic stabilization of one sequence and a special-shaped periodic signal generator made on RC elements. Since the automatic amplitude stabilization system has a control error, and the generator of periodic signals on analog RC elements cannot provide a special shape signal with the required accuracy due to the temperature dependence of the generator parameters and the complexity of tuning.

Задачей является разработка цифрового пирометра, обеспечивающего стабильную работу в условиях высоких сетевых помех.The task is to develop a digital pyrometer that provides stable operation in conditions of high network interference.

Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности измерения температуры изделий.The technical result of the claimed utility model is to increase the accuracy of measuring the temperature of products.

Указанный технический результат достигается тем, что цифровой пирометр спектрального отношения, содержащий оптически связанные объектив, два светофильтра и фотоприемник, соединенный с блоком определения отношения двух сигналов, соответствующих разным спектральным участкам, а фотоприемник пирометра выполнен двухэлементным и установлен неподвижно, два выхода которого соединены с блоком определения отношения двух постоянных сигналов, соответствующих разным спектральным участкам, и выполненном на базе аналого-цифрового развертывающего преобразователя (АЦП) с двухтактным интегрированием, в качестве второго входа которого используется вход опорного источника напряжения преобразователя.This technical result is achieved by the fact that a digital spectral ratio pyrometer containing an optically coupled lens, two light filters and a photodetector connected to a unit for determining the ratio of two signals corresponding to different spectral regions, and the pyrometer photodetector is made of two elements and is fixedly installed, two outputs of which are connected to the unit determining the ratio of two constant signals corresponding to different spectral regions, and made on the basis of an analog-to-digital scanning converter (ADC) with push-pull integration, the second input of which is the input of the reference voltage source of the converter.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения температуры, благодаря тому, что в цифровом пирометре спектрального отношения блок определения отношения двух постоянных сигналов, соответствующих разным спектральным участкам, выполнен на базе аналого-цифрового развертывающего преобразователя (АЦП) с двухтактным интегрированием, обладающим высокой точностью в сравнении с блоком, реализующим автоматическую стабилизацию одной из двух чередующихся последовательностей импульсов и генератором периодических сигналов специальной формы, выполненным на RC- элементах.This difference makes it possible to increase the accuracy of temperature measurement, due to the fact that in a digital spectral ratio pyrometer, the block for determining the ratio of two constant signals corresponding to different spectral regions is based on an analog-to-digital scanning converter (ADC) with push-pull integration, which has high accuracy in comparison with a block that implements automatic stabilization of one of two alternating pulse sequences and a generator of periodic signals of a special shape, made on RC - elements.

На чертеже изображена функциональная блок-схема пирометра.The drawing shows a functional block diagram of the pyrometer.

Пирометр представляет собой объектив 1, в плоскости изображения которого установлен составной светофильтр, состоящий из двух светофильтров 2 и 3 с различными спектральными полосами пропускания. За светофильтрами 2 и 3 установлен двухэлементный фотоприемник 4, таким образом, чтобы каждый элемент фотоприемника находился напротив только одного светофильтра. Выходы фотоприемника подключены к входу аналого-цифрового развертывающего преобразователя (АЦП) с двухтактным интегрированием 5, который выполняет функцию цифрового логометрического преобразователя, а именно определяет отношение двух сигналов с двух разных участков спектра нагретой детали. На схеме приняты следующие обозначения: 6 и 7 - блоки усиления и перемножения; 8 - формирователь весовой функции первого измерительного канала; 9 - формирователь весовой функции второго измерительного канала; 10-интегратор; 11 - устройство сравнения; 12 - блок управления; 13 - устройство задания порогового уровня устройства сравнения; 14 –блок цифрового выходного сигнала. Элемент фотоприемника, соответствующий первой длине волны пирометра, подключен на вход блока 6, который является измерительным входом АЦП сигнала U _x ₁, а, на вход блока 7, который предназначен для источника опорного напряжения U ₀, подключен элемент фотоприемника, соответствующий второй длине волны U _x ₂. К блоку 6 подключен формирователь весовой функции первого измерительного канала 8, а к блоку 7 подключен формирователь весовой функции второго измерительного канала 9. Выходы блоков 6 и 7 через сумматор подключены к интегратору 10, выход которого подключен к первому входу устройства сравнения 11, выход которого соединен с блоком управления 12. Первый выход блока 12 подключен через устройство задания порогового уровня 13 ко второму входу устройства сравнения 11, второй выход блока 12 подключен к формирователю 8, а третий выход – к формирователю 9. Выход формирователя 9 с блоком цифрового выходного сигнала 14.The pyrometer is a lens 1, in the image plane of which a composite filter is installed, consisting of two filters 2 and 3 with different spectral bandwidths. Behind filters 2 and 3, a two-element photodetector 4 is installed, so that each element of the photodetector is opposite only one light filter. The outputs of the photodetector are connected to the input of an analog-to-digital scanning converter (ADC) with push-pull integration 5, which performs the function of a digital ratiometric converter, namely, it determines the ratio of two signals from two different parts of the spectrum of the heated part. The following designations are adopted on the diagram: 6 and 7 - amplification and multiplication blocks; 8 - driver of the weight function of the first measuring channel; 9 - driver of the weight function of the second measuring channel; 10-integrator; 11 - comparison device; 12 - control unit; 13 - device for setting the threshold level of the comparison device; 14 – block of digital output signal. The photodetector element corresponding to the first wavelength of the pyrometer is connected to the input of block 6, which is the measuring input of the ADC signal U _x ₁ , and, to the input of block 7, which is intended for the reference voltage source U ₀ , the photodetector element is connected, corresponding to the second wavelength U _x ₂ . A weight function generator of the first measuring channel 8 is connected to block 6, and a weight function generator of the second measurement channel 9 is connected to block 7. The outputs of blocks 6 and 7 are connected through an adder to an integrator 10, the output of which is connected to the first input of the comparator 11, the output of which is connected with the control unit 12. The first output of the block 12 is connected through the threshold level setting device 13 to the second input of the comparison device 11, the second output of the block 12 is connected to the shaper 8, and the third output is connected to the shaper 9. The output of the shaper 9 with the digital output signal unit 14.

Предлагаемый пирометр работает следующим образом.The proposed pyrometer works as follows.

Излучение от нагретого тела после прохождения объектива 1 попадает на светофильтры 2,3 и разделяется на две части, каждая из которых попадает на соответствующий элемент фотоприемника 4. Затем, сигналы с него идут в электрическую схему прибора, где производятся соответствующие преобразования.The radiation from the heated body after passing through the lens 1 falls on the filters 2,3 and is divided into two parts, each of which falls on the corresponding element of the photodetector 4. Then, the signals from it go to the electrical circuit of the device, where the corresponding transformations are performed.

В рамках функциональной блок-схемы пирометра могут быть реализованы известные алгоритмы уравновешивающего интегрирующего развертывающего преобразователя (ИРП). Весовая функция g _x1(t) блока 6, определяет динамические свойства ИРП, а весовая функция g _x2(t) блока 7 определяет вид выходной величины ИРП и создает удобства математического описания процессов ИР-преобразования. Весовая функция g _x ₁(t) в общем случае может принимать произвольные значения для реализации нелинейных функций преобразования, а весовая функция g _x2(t), как правило, принимает значения +1, 0 и -1. Идеализированное уравнение преобразования интегратором 10 имеет вид:Within the framework of the functional block diagram of the pyrometer, the well-known algorithms of the balancing integrating sweeping transducer (IRP) can be implemented. The weight function g _x1 ( t ) of block 6 determines the dynamic properties of the IRP, and the weight function g _x2 ( t ) of block 7 determines the type of the output value of the IRP and creates the convenience of a mathematical description of the processes of the IR transformation. The weight function g _x ₁ ( t ) in the general case can take arbitrary values for the implementation of nonlinear transformation functions, and the weight function g _x2 ( t ), as a rule, takes the values +1, 0 and -1. The idealized transformation equation by the integrator 10 has the form:

, (1)

где t ₁ и t ₂ -постоянные времени интегратора по двум входам преобразований; t _н и t _к координаты начала и конца преобразования. Из уравнения (1) следует характеристика аналого-цифрового преобразования ИРП:where t ₁ and t ₂ are the time constants of the integrator for two inputs of transformations; t _n and t _{to the} coordinates of the beginning and end of the transformation. From equation (1) follows the characteristic of the analog-to-digital conversion of the IRP:

. (2)

С учетом конкретно воспроизводимых в данном случае весовых функций g _x(t) и g ₀(t), а именно с постоянными значениями, из уравнения (2) следует выражение длительности импульса ΔТ, которое которая определяется отношением напряжений двух измерительных каналов фотоприемника 4.Taking into account the specifically reproducible in this case weight functions g _x ( t ) and g ₀ ( t ), namely with constant values, from equation (2) follows the expression for the pulse duration Δ T , which is determined by the ratio of the voltages of the two measuring channels of the photodetector 4.

, (3)

где U _x ₁и U _x ₂ средние значения напряжений за интервал времени Т ₁ значение входного напряжения.where U _x ₁ and U _x ₂ are the average voltage values for the time interval T ₁ is the value of the input voltage.

Интервал времени T ₁первого такта имеет постоянное значение и в это время к входу интегратора подключен первый измерительный канал с напряжением U _x ₁. Интервал времени ΔТ второго такта интегрирования определяется при подаче к входу интегратора напряжения со второго измерительного канала с напряжением U _x ₁. Момент окончания второго такта определяется устройством сравнения выходного напряжения интегратора 11 при равенстве нулю сигнала с интегратора 10 . Необходимо отметить, что сигналы интегратора двух тактов имеют противоположные знаки скоростей. При преобразовании промежутков времени T ₁и ΔТ блоком 14 в цифру методом заполнения тактовыми импульсами с длительностью T ₀ и равенстве постоянных времени получено выражение The time interval T _{1 of} the first cycle has a constant value and at this time the first measuring channel with voltage U _x ₁ is connected to the input of the integrator. The time interval ΔT of the second cycle of integration is determined by applying voltage to the input of the integrator from the second measuring channel with voltage U _x ₁ . The end of the second cycle is determined by the device for comparing the output voltage of the integrator 11 when the signal from the integrator 10 is equal to zero. It should be noted that the signals of the integrator of two cycles have opposite signs of the velocities. When converting time intervals T ₁ and Δ T by block 14 into a number by filling with clock pulses with duration T ₀ and equality of time constants, the following expression is obtained

(4)

(four)

С помощью блоков управления 12 и задания порогового значения 13 может осуществляться алгоритм работы с преобразованием выходного сигнала в частоту, которая так же сравнительно просто преобразуется в цифру. With the help of control units 12 and setting the threshold value 13, an algorithm can be carried out with the conversion of the output signal into a frequency, which is also relatively simply converted into a number.

При такой реализации цифровой пирометр спектрального отношения в сравнении с известной схемой реализации выполняет три функции, а именно функции двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для каждого канала и цифрового логометрического преобразователя блока, а реализация нелинейной статической характеристики может быть реализовано с помощью выбора весовой функции.With such an implementation, the digital spectral ratio pyrometer, in comparison with the known implementation scheme, performs three functions, namely, the functions of two analog-to-digital converters (ADC) for each channel and a digital ratiometric converter of the block, and the implementation of a nonlinear static characteristic can be implemented by choosing a weight function .

Кроме того, такой цифровой пирометр спектрального отношения имеет хорошую защиту от сетевой помехи и позволяет значительно уменьшить влияние на погрешность измерения факторов, имеющих мультипликативный характер. По этой причине АЦП двухтактного интегрирования рекомендуются для использования в промышленных информационно-измерительных и управляющих системах.In addition, such a digital spectral ratio pyrometer has good protection against network interference and can significantly reduce the influence of multiplicative factors on the measurement error. For this reason, push-pull ADCs are recommended for use in industrial information-measuring and control systems.

Claims

A spectral ratio digital pyrometer containing an optically coupled lens, two light filters and a photodetector connected to a unit for determining the ratio of two signals corresponding to different spectral regions, characterized in that the pyrometer photodetector is made of two elements and is stationary, the two outputs of which are connected to the unit for determining the ratio of two constants signals corresponding to different spectral regions, and made on the basis of an analog-to-digital scanning converter (ADC) with push-pull integration, the second input of which is the input of the reference voltage source of the converter.