RU2366909C1 - Multichannel device for measurement of pyrometric characteristics - Google Patents
Multichannel device for measurement of pyrometric characteristics Download PDFInfo
- Publication number
- RU2366909C1 RU2366909C1 RU2008115767/28A RU2008115767A RU2366909C1 RU 2366909 C1 RU2366909 C1 RU 2366909C1 RU 2008115767/28 A RU2008115767/28 A RU 2008115767/28A RU 2008115767 A RU2008115767 A RU 2008115767A RU 2366909 C1 RU2366909 C1 RU 2366909C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- measurements
- photodetector
- fiber
- spectral
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к пирометрии спектрального отношения, и может быть использовано для создания приборов анализа и контроля высокотемпературных технологических процессов и при решении научно-исследовательских задач, связанных с измерением характеристик процессов, преимущественно быстропротекающих в неоднородных средах, например типа взрыва.The present invention relates to measuring technique, in particular to spectroscopic ratio pyrometry, and can be used to create instruments for analyzing and controlling high-temperature technological processes and in solving research problems related to measuring the characteristics of processes that are primarily fast-moving in inhomogeneous media, for example, an explosion type .
В области цветовой пирометрии в последние годы наибольшее внимание уделялось разработке средств контроля температуры в технологических процессах. Приборы контроля должны давать результат в реальном времени с тем, чтобы использовать его для управления процессом. Большое внимание уделялось увеличению точности измерений, например, путем одновременного определения коэффициента излучения и вычисления истинной температуры. В то же время сравнительно мало информации по проблеме измерения температуры в исследовательских целях, особенно для диагностики быстропротекающих процессов, например взрыва. К сожалению в этих условиях практически невозможно учитывать спектральную и температурную зависимость коэффициента излучения объекта, поэтому расчеты, как правило, делаются в приближении постоянства коэффициента излучения, то есть в приближении абсолютно серого тела. Здесь существенным является возможность исключить влияние геометрических факторов, поскольку для вычисления цветовой температуры достаточно относительных измерений. Цветовая температура используется как обобщающий параметр, характеризующий эффективность протекающих процессов. Такие измерения, как правило, дороги, а зачастую просто уникальны. Поэтому главная задача измерительного комплекса состоит в регистрации в реальном времени как можно большего массива информации, а также создание аппаратных средств и совершенных программ для последующей обработки этой информации.In the field of color pyrometry in recent years, the greatest attention has been paid to the development of temperature control in technological processes. Monitoring devices must give a result in real time in order to use it to control the process. Much attention was paid to increasing the accuracy of measurements, for example, by simultaneously determining the emissivity and calculating the true temperature. At the same time, there is comparatively little information on the problem of measuring temperature for research purposes, especially for the diagnosis of fast processes, for example, an explosion. Unfortunately, under these conditions, it is practically impossible to take into account the spectral and temperature dependence of the emissivity of the object, therefore, calculations are usually done in the approximation of constant emissivity, that is, in the approximation of an absolutely gray body. Here, it is essential to exclude the influence of geometric factors, since relative measurements are sufficient to calculate the color temperature. Color temperature is used as a generalizing parameter characterizing the efficiency of ongoing processes. Such measurements are usually expensive, and often simply unique. Therefore, the main task of the measuring complex is to record in real time the largest possible amount of information, as well as the creation of hardware and advanced programs for the subsequent processing of this information.
Известно многоканальное спектральное светоизмерительное устройство [см. Пат. США №4909633, МПК G01J 01/04, G01J 05/60, публ. 1990.03.20.], включающее объектив, оптоволоконный жгут, разделенный на три канала, индивидуально позиционированные к трем светоприемным элементам, имеющим различные спектральные чувствительности. Три компонента света одновременно конвертируются в три электрические сигнала и затем в цифровые величины посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Этот прибор не позволяет с достаточной точностью и достоверностью в широком динамическом диапазоне производить абсолютные измерения пирометрических характеристик. Поскольку жгут набран из конечного числа волокон, он имеет дискретную структуру. При однородном освещении это обстоятельство не имеет значения, но неоднородность объекта приводит к разному освещению разных волокон жгута и к ошибкам в распределении световой энергии по спектральным каналам анализатора. Чтобы уменьшить эту ошибку, авторы устройства выводят торец жгута из фокальной плоскости объектива, в результате чего его дискретная структура оказывается «смазанной», но при этом размытой оказывается и область фотометрирования.A multi-channel spectral light measuring device is known [see Pat. USA No. 4909633, IPC G01J 01/04, G01J 05/60, publ. 1990.03.20.], Comprising a lens, a fiber optic bundle, divided into three channels, individually positioned to three light-receiving elements having different spectral sensitivities. The three light components are simultaneously converted into three electrical signals and then into digital quantities by means of an analog-to-digital converter (ADC). This device does not allow with sufficient accuracy and reliability in a wide dynamic range to make absolute measurements of pyrometric characteristics. Since the tow is drawn from a finite number of fibers, it has a discrete structure. With uniform illumination this circumstance does not matter, but the heterogeneity of the object leads to different illumination of different fibers of the bundle and to errors in the distribution of light energy over the spectral channels of the analyzer. To reduce this error, the authors of the device remove the end of the bundle from the focal plane of the lens, as a result of which its discrete structure appears to be “smeared”, but the photometric region is also blurred.
Известно выбранное нами в качестве прототипа устройство для измерения пирометрических характеристик процесса [см. Пат. РФ на пол. мод. №32594, МПК G01J 05/60, приор. 2003.04.21.], включающее элемент оптической схемы, разлагающий излучение на квазимонохроматические компоненты, и следующие за ним в оптическом тракте светочувствительные элементы, в качестве которых используются кремниевые фотодиоды, схема подключения которых соответствует фотодиодному режиму, а элемент оптической схемы, разлагающий излучение на компоненты, представляет ряд, состоящий, по крайней мере, из двух светофильтров, пропускающих излучение в различных областях спектра.A known device for measuring the pyrometric characteristics of a process that we have selected as a prototype is [see Pat. RF to the floor. Maud. No. 32594, IPC G01J 05/60, prior. 2003.04.21.], Including an optical circuit element that decomposes radiation into quasimonochromatic components, and photosensitive elements following it in the optical path, which use silicon photodiodes, the connection circuit of which corresponds to the photodiode mode, and an optical circuit element that decomposes radiation into components represents a series consisting of at least two filters that transmit radiation in different regions of the spectrum.
С помощью этого устройства исследуются во времени оптические характеристики взрыва. Для сбора спектральной информации используется набор фотодиодов с полосовыми фильтрами, образующий быстродействующий многоканальный спектральный анализатор. Сигналы фотодиодов по коаксиальным кабелям передаются на цифровые осциллографы, где запоминаются для последующей обработки. Регистрируются сигналы, пропорциональные освещенности в точке установки анализатора. Записанная информация с помощью ЭВМ по известной программе обрабатывается с целью получения пирометрических характеристик, таких как абсолютные значения освещенности в точке установки приемников, силы света источника и цветовой температуры, средней по объему светящегося тела.Using this device, the optical characteristics of the explosion are investigated over time. To collect spectral information, a set of photodiodes with bandpass filters is used, forming a high-speed multichannel spectral analyzer. The signals of the photodiodes via coaxial cables are transmitted to digital oscilloscopes, where they are stored for further processing. Signals proportional to the illumination at the analyzer installation point are recorded. The recorded information using a computer according to a well-known program is processed in order to obtain pyrometric characteristics, such as the absolute values of illumination at the point of installation of the receivers, the light intensity of the source and color temperature, the average volume of the luminous body.
Этот прибор также не позволяет с достаточной точностью и достоверностью измерять абсолютные пирометрические характеристики, к тому же сигналы в нем передаются по длинным кабелям, подверженным электромагнитным наводкам. Прибор недостаточно надежен, т.к. блок фотоприемников со светофильтрами находится вблизи объекта, то есть в зоне взрыва находятся хрупкие оптические элементы, которые необходимо защищать.This device also does not allow to measure absolute pyrometric characteristics with sufficient accuracy and reliability; moreover, the signals in it are transmitted through long cables subject to electromagnetic interference. The device is not reliable enough, because a block of photodetectors with light filters is located near the object, that is, in the explosion zone there are fragile optical elements that must be protected.
Чтобы измерить яркость какой то зоны, надо перед приемниками помещать идентичные объективы и полевые диафрагмы и строго сводить их поля зрения.To measure the brightness of a certain zone, it is necessary to place identical lenses and field apertures in front of the receivers and strictly reduce their field of view.
Интерференционные фильтры имеют характерную особенность. Их ширина полосы и положение центра зависят от углов падения, что приводит к значительным ошибкам при разных угловых размерах объекта или его несимметричном развитии во время взрыва.Interference filters have a characteristic feature. Their strip width and center position depend on the angles of incidence, which leads to significant errors for different angular dimensions of the object or its asymmetric development during the explosion.
Нами предложен высокоточный быстродействующий надежный прибор для измерения в широком динамическом диапазоне абсолютных пирометрических характеристик неоднородных объектов, типа взрыва.We have proposed a high-precision high-speed reliable instrument for measuring in a wide dynamic range the absolute pyrometric characteristics of inhomogeneous objects, such as an explosion.
Заявленный технический результат получен нами, когда в многоканальном устройстве для измерения пирометрических характеристик, преимущественно быстропротекающих процессов в неоднородных средах, типа взрыва, включающем элемент, разлагающий излучение от измеряемого объекта на спектральные составляющие, размещенные в оптическом тракте фотоприемный узел и узел регистрации и обработки информации в виде АЦП и ЭВМ, новым является то, что в оптическом тракте перед элементом, разлагающим излучение, дополнительно установлен волоконный световод, выходной торец которого служит входной диафрагмой элемента, разлагающего излучение, собственно элемент, разлагающий излучение, выполнен в виде вогнутой дифракционной решетки, в выходной плоскости которой установлен фотоприемный узел в виде снабженной усилителями многоэлементной фотоприемной линейки, каждый элемент которой принимает излучение в узкой полосе спектра, при этом количество элементов линейки выбрано большим, чем количество каналов АЦП, а ЭВМ снабжена функцией расчета абсолютной освещенности, абсолютной яркости, а также цветовой температуры.The claimed technical result was obtained by us when, in a multichannel device for measuring pyrometric characteristics, mainly fast processes in heterogeneous media, such as an explosion, which includes an element that decomposes the radiation from the measured object into spectral components located in the optical path, a photodetector assembly and an information recording and processing unit in in the form of ADC and computer, new is that in the optical path in front of the element that decomposes the radiation, an additional fiber of lights is installed ode, the output end of which serves as the input diaphragm of the radiation decomposing element, the radiation decomposing element itself is made in the form of a concave diffraction grating, in the output plane of which there is a photodetector assembly in the form of a multi-element photodetector array equipped with amplifiers, each element of which receives radiation in a narrow spectrum band , while the number of line elements is selected larger than the number of ADC channels, and the computer is equipped with a function for calculating absolute illumination, absolute brightness, and e color temperature.
Понятие «многоканальный» означает возможность получать тем больше спектральной информации, чем больше спектральных каналов, а также означает возможность выбора оптимальных длин волн для расчета температуры. Число каналов регистрации ограничено числом каналов АЦП. Ограничивать число каналов регистрации, то есть каналов АЦП, означает ограничить информативность прибора. Поэтому в данном случае возможность выбора предполагает количество спектральных каналов большее, чем каналов регистрации, то есть число элементов линейки большее, чем число каналов АЦПThe term “multichannel” means the ability to receive the more spectral information, the more spectral channels, and also means the ability to select the optimal wavelengths for calculating the temperature. The number of registration channels is limited by the number of ADC channels. To limit the number of registration channels, that is, ADC channels, means to limit the information content of the device. Therefore, in this case, the choice implies the number of spectral channels is greater than the registration channels, that is, the number of line elements is greater than the number of ADC channels
С целью повышения чувствительности и скорости регистрации прибора соседние элементы многоэлементной фотоприемной линейки объединены в группы.In order to increase the sensitivity and speed of registration of the device, the neighboring elements of the multi-element photodetector line are combined into groups.
Прибор допускает два режима измерений, а именно: измерение освещенности, создаваемой всем объектом в целом, и измерение яркости выбранной ограниченной зоны. Соответственно вычисляется либо средняя по объекту цветовая температура, либо локальная температура выбранной зоны. В первом случае световод закрепляется на таком расстоянии, чтобы вся область излучения находилась внутри апертурного угла световода, во втором случае между объектом и световодом устанавливается объектив так, чтобы на входной торец световода попадала заданная часть изображения объекта, например центральная. Подходы к решению этих задач известны.The device allows two measurement modes, namely: measuring the illumination created by the entire object as a whole, and measuring the brightness of the selected limited area. Accordingly, either the average color temperature over the object or the local temperature of the selected zone is calculated. In the first case, the fiber is fixed at such a distance that the entire radiation region is inside the aperture angle of the fiber, in the second case, a lens is mounted between the object and the fiber so that a given part of the image of the object, for example, the central part, falls on the input end of the fiber. Approaches to solving these problems are known.
Световод дает возможность проводить измерения непосредственно внутри объекта. Подходы к решению этой задачи известны.The optical fiber makes it possible to carry out measurements directly inside the object. Approaches to solving this problem are known.
На Фиг.1 приведена схема заявленного устройства, где показаны: входной торец 1 оптоволоконного световода 2, его выходной торец 3, диспергирующий* (*Диспергирующим назван элемент, разлагающий излучение на монохроматические компоненты. [И.В.Пейсахсон. «Оптика спектральных приборов», Машиностроение, Ленинград., 1975 г., стр.34 и далее.]) элемент 4, многоэлементный фотоприемник 5, программируемый коммутатор 6, АЦП 7, компьютер 8 и объект 9.Figure 1 shows a diagram of the claimed device, which shows: the
На Фиг.2 приведена схема, иллюстрирующая преобразование измерителя освещенности или силы света (фиг.2а) в измеритель локальной яркости (фиг.2б), где показаны входной торец 1 световода 2, выделенная зона 1' объекта 9, соответствующая проекции входного торца 1 световода 2, и объектив 10.Fig. 2 is a diagram illustrating the conversion of a light or light intensity meter (Fig. 2a) to a local brightness meter (Fig. 2b), where the
На Фиг.3 показаны диаграммы формирования полосового оптоэлектронного фильтра при объединении нескольких соседних элементов фотоприемной линейки: на фиг.3а - аппаратная функция одного элемента линейки, на фиг.3б - аппаратная функция группы соединенных элементов линейки, где SOTH - относительная чувствительность схемы регистрации, λ - длина волны и одновременно координата х элемента линейки, т.к. линейка установлена в фокальной плоскости решетки вдоль направления дисперсии.Figure 3 shows the diagrams of the formation of a band-pass optoelectronic filter when combining several adjacent elements of the photodetector line: Fig. 3a is the hardware function of one element of the line, Fig. 3b is the hardware function of the group of connected elements of the line, where S OTH is the relative sensitivity of the registration circuit, λ is the wavelength and at the same time the x coordinate of the element of the ruler, because the ruler is installed in the focal plane of the lattice along the dispersion direction.
На Фиг.4 представлены графики спектральных яркостей во времени и расчет цветовой температуры тест-объекта** (**Под тест-объектом мы понимаем вторичный эталон с известными пирометрическими характеристиками) при испытаниях макета устройства.Figure 4 presents graphs of spectral brightnesses over time and the calculation of the color temperature of the test object ** (** By test object we mean the secondary standard with known pyrometric characteristics) when testing the layout of the device.
На фиг.5 и 6 представлены в увеличенном виде графики характеристик тест-объекта, приведенные на фиг.4.Figure 5 and 6 are an enlarged view of the graphs of the characteristics of the test object, shown in figure 4.
Заявленное устройство работает следующим образом (см. Фиг.1). Излучение неоднородного быстроизменяющегося в пространстве объекта 9 попадает на входной торец 1 оптоволоконного световода 2. Входной торец световода установлен на таком расстоянии, что светящаяся зона не выходит за пределы его угловой апертуры. Выходной торец 3 световода 2 выполняет роль входной диафрагмы диспергирующего элемента 4, выполненного в нашем приборе в виде вогнутой дифракционной решетки, создающей цветные изображения диафрагмы в своей фокальной плоскости, в которой установлен многоэлементный фотоприемник 5 с усилителями электрического сигнала (не показаны). Выходы усилителей через программируемый коммутатор 6 подключаются к АЦП 7. Информация в цифровом виде поступает по USB-каналу (не показан) на компьютер 8, в котором она регистрируется, а затем обрабатывается и хранится в числовом и графическом виде.The claimed device operates as follows (see Figure 1). The radiation from an inhomogeneous object that is rapidly changing in
Диспергирующий элемент заявленной конструкции выполняет также и другую функцию, необходимую в подобных измерениях, а именно сведение полей зрения всех приемников излучения в строго заданном направлении.The dispersing element of the claimed design also performs another function necessary in such measurements, namely, the reduction of the field of view of all radiation receivers in a strictly specified direction.
Коммутатор 6 управляется программным способом по медленному каналу связи с компьютером 8. Подходы к решению этой задачи известны. Эта часть программы позволяет выбирать нужные длины волн для регистрации сигналов каналами АЦП 7, а также формировать полосы нужной ширины на этих длинах волн.
Большее количество спектральных каналов, существенно больше, чем это требуется для расчета цветовой температуры, дает возможность выбирать, например программным способом, оптимальные длины волн в зависимости от свойств объекта. Это позволяет исключить линии неравновесного происхождения или линии самопоглощения, а также не имеющие отношения к исследуемым процессам, и принимать в расчет только априорно надежные интервалы. В благоприятных обстоятельствах увеличение числа каналов увеличивает точность приближения к распределению Планка и, соответственно, точность расчета цветовой температуры.A greater number of spectral channels, significantly more than what is required for calculating the color temperature, makes it possible to choose, for example, by software, the optimal wavelengths depending on the properties of the object. This makes it possible to exclude lines of nonequilibrium origin or lines of self-absorption, as well as those not related to the processes under study, and to take into account only a priori reliable intervals. In favorable circumstances, an increase in the number of channels increases the accuracy of approximation to the Planck distribution and, accordingly, the accuracy of calculating color temperature.
Чтобы обеспечить максимальное количество спектральных каналов, нами была выбрана дифракционная решетка. Дифракционная решетка разлагает излучение объекта в непрерывный спектр, что дает возможность получить любое количество спектральных каналов.To ensure the maximum number of spectral channels, we selected a diffraction grating. The diffraction grating decomposes the radiation of the object into a continuous spectrum, which makes it possible to obtain any number of spectral channels.
Регистрировать освещенность, создаваемую объектом или его частью, можно путем измерения освещенности непосредственно входной диафрагмы анализатора. При этом прибор должен находиться достаточно близко к объекту. Только в этом случае заполняется вся входная апертура и можно проводить фотометрирование протяженного объекта практически без потерь сигнала. Кроме того, входная диафрагма подобно камере-обскуре строит изображение объекта на входной оптике, то есть создает пространственно неоднородное освещение, что приводит к ошибкам спектрального анализа и погрешностям вычисления температуры. Последнее обстоятельство особенно сильно проявляется на вогнутой решетке.It is possible to register the illumination created by an object or its part by measuring the illumination directly of the analyzer's input diaphragm. In this case, the device should be close enough to the object. Only in this case the entire input aperture is filled and it is possible to photometer an extended object with virtually no signal loss. In addition, the input diaphragm, like a pinhole camera, builds an image of the object on the input optics, i.e. creates spatially inhomogeneous illumination, which leads to spectral analysis errors and temperature calculation errors. The latter circumstance is especially pronounced on a concave lattice.
Применение волоконного световода устраняет оба отмеченных недостатка схемы камеры-обскуры.The use of a fiber light guide eliminates both of the noted drawbacks of the pinhole camera circuit.
Во-первых, апертура световода близка к входной апертуре дифракционной решетки, а потери на пропускание в традиционной для цветовой пирометрии области спектра у световода невелики, так что сохранение сигнала будет обеспечено при значительном удалении прибора на десятки и сотни метров.First, the fiber aperture is close to the input aperture of the diffraction grating, and the transmission loss in the spectral region traditional for color pyrometry is small for the fiber, so that the signal will be preserved if the device is significantly removed by tens or hundreds of meters.
Во-вторых, одним из свойств волоконного световода является его способность не просто передавать свет, но и смешивать лучи света, приходящие с разных направлений. Применительно к задаче фотометрирования взрыва это означает возможность получать средние по пространству значения силы излучения или освещенности, а также средние цветовые температуры при любой конфигурации облака разлета горячих частиц. Строго говоря, неоднородность не устраняется, а преобразуется в осесимметричную, что достаточно для подавления погрешности. Использование свойства световода интегрировать пространственные неоднородности помимо типового применения в качестве линии передачи сигнала и позволило в совокупности с другими признаками устройства достичь заявленный результат.Secondly, one of the properties of a fiber is its ability to not only transmit light, but also to mix light rays coming from different directions. As applied to the problem of explosion photometry, this means the ability to obtain spatial average values of the radiation force or illumination, as well as average color temperatures for any configuration of the cloud of expansion of hot particles. Strictly speaking, the heterogeneity is not eliminated, but converted to axisymmetric, which is enough to suppress the error. Using the property of the fiber to integrate spatial inhomogeneities in addition to the typical application as a signal transmission line and, in combination with other features of the device, allowed to achieve the claimed result.
Ширина спектральной полосы определяется дисперсией решетки и размером самого элемента. Чем больше элементов линейки в рабочем диапазоне спектра, тем уже ширина полосы пропускания в каждом спектральном канале. Калибровка фотоприемников в узкой полосе спектра позволяет измерять температуру в более широком диапазоне. Для прибора с широкополосными фильтрами, как, например, в прототипе, максимальная точность достигается для температур, близких к той, при которой делалась калибровка. При других температурах ошибка возрастает. Это объясняется влиянием на результат измерений формы кривой излучения, которая и определяется температурой тела. Чем уже полоса канала измерения, тем меньше ошибки редукции, меньше влияние формы, шире диапазон измерений.The width of the spectral band is determined by the dispersion of the lattice and the size of the element itself. The more elements of the line in the operating range of the spectrum, the narrower the bandwidth in each spectral channel. Calibration of photodetectors in a narrow band of the spectrum allows you to measure temperature in a wider range. For a device with broadband filters, as, for example, in the prototype, maximum accuracy is achieved at temperatures close to that at which the calibration was done. At other temperatures, the error increases. This is explained by the influence on the measurement result of the shape of the radiation curve, which is determined by the temperature of the body. The narrower the strip of the measurement channel, the smaller the reduction errors, the smaller the influence of the shape, the wider the measurement range.
Благоприятными обстоятельствами можно считать также наличие достаточного времени для регистрации сигнала многих спектральных каналов. Это важно, например, для АЦП последовательного типа. При фотометрировании коротких импульсов приходится уменьшать количество каналов регистрации. Программа позволяет определять цветовую температуру минимум по трем длинам волн. Подходы к решению таких задач известны.Favorable circumstances can also be considered as the presence of sufficient time for recording the signal of many spectral channels. This is important, for example, for serial-type ADCs. When photographing short pulses, it is necessary to reduce the number of recording channels. The program allows you to determine the color temperature at least three wavelengths. Approaches to solving such problems are known.
Соседние элементы многоэлементной линейки можно объединять, например, программным способом с целью увеличения чувствительности или увеличения скорости регистрации. При этом образуются полосовые фильтры с крутыми симметричными фронтами (см. Фиг.3), крутизна которых определяется аппаратной функцией одного элемента, а ширина полосы пропускания определяется количеством объединенных элементов и величиной дисперсии решетки. Таким образом можно организовать оптико-электронные полосовые фильтры на нужные интервалы длин волн с идентичными характеристиками по ширине и форме кривой пропускания в отличие от набора стеклянных или интерференционных фильтров, идентичность которых невозможна по технологическим причинам.Neighboring elements of a multi-element line can be combined, for example, in a software way in order to increase sensitivity or increase the speed of registration. In this case, band-pass filters with steep symmetrical fronts are formed (see Figure 3), the slope of which is determined by the hardware function of one element, and the bandwidth is determined by the number of combined elements and the magnitude of the dispersion of the lattice. Thus, it is possible to organize optical-electronic bandpass filters for the desired wavelength intervals with identical characteristics in width and shape of the transmission curve, in contrast to a set of glass or interference filters, the identity of which is impossible for technological reasons.
Идентичность полос упрощает и ускоряет процедуру расчета искомых величин, то есть процесс обработки результатов эксперимента, а также увеличивает точность измерений.The identity of the bands simplifies and speeds up the procedure for calculating the desired values, that is, the process of processing the results of the experiment, and also increases the accuracy of the measurements.
Объединение элементов полезно также для аппаратного интегрирования сильно неравномерных спектров, что, как правило, и наблюдается в спектрах взрыва.The combination of elements is also useful for the hardware integration of strongly nonuniform spectra, which, as a rule, is also observed in explosion spectra.
В заявляемом устройстве анализируемое излучение потенциально опасного объекта через волоконный световод передается на аналитическую часть прибора, которая может находиться в укрытии. Применение световода позволяет не только решить задачи фотометрирования неоднородного объекта, но и обеспечить безопасность оборудования.In the inventive device, the analyzed radiation of a potentially hazardous object is transmitted through an optical fiber to the analytical part of the device, which may be in a shelter. The use of a fiber allows not only to solve the photometric problems of an inhomogeneous object, but also to ensure the safety of equipment.
Выполнение диспергирующего элемента в виде вогнутой дифракционной решетки вместо плоской уменьшает число оптических элементов, подверженных влиянию вибраций, температурному расширению и прочим дестабилизирующим факторам, что особенно важно для работы в полевых условиях, а также сокращает массу и габариты прибора.The implementation of the dispersing element in the form of a concave diffraction grating instead of a flat one reduces the number of optical elements susceptible to vibrations, thermal expansion and other destabilizing factors, which is especially important for working in the field, and also reduces the weight and dimensions of the device.
Пример конкретного исполнения.An example of a specific implementation.
Нами изготовлен и испытан прибор на основе заявляемого устройства.We have made and tested a device based on the claimed device.
Прибор показал хорошие метрологические и эксплуатационные свойства.The device showed good metrological and operational properties.
В качестве световода использовалось кварцевое волокно с диаметром ядра 0,8 мм и длиной 20 м. Вогнутая дифракционная решетка размером 40×40 мм имеет радиус 100 мм и криволинейные штрихи плотностью 400 штр./мм. Рабочий диапазон длин волн 400-800 нм. Фотоприемная линейка фирмы «Hamamatsu» - кремниевая, интегральная, содержит 16 фотодиодов размером 0,9×1,45 мм. Возможно применение линейки с числом элементов 35 той же фирмы. Блок усилителей выполнен на микросхемах AD8034 фирмы «Analog Devices». Для преобразования аналоговых сигналов применен АЦП последовательного типа «USB-3000» со скоростью опроса каналов 3 МГц. Связь с компьютером типа «Note-Book» осуществляется по USB - каналу. Произвольная выборка каналов осуществляется программным способом. Оптическая и электронная схемы вместе с АЦП размещены в защитном корпусе размером 100×120×250 мм.A quartz fiber with a core diameter of 0.8 mm and a length of 20 m was used as a fiber. The concave diffraction grating 40 × 40 mm in size has a radius of 100 mm and curved strokes with a density of 400 lines / mm. The operating wavelength range is 400-800 nm. The Hamamatsu photodetector line is silicon integrated, contains 16 photodiodes 0.9 × 1.45 mm in size. It is possible to use a ruler with the number of elements 35 of the same company. The amplifier block is made on AD8034 chips from Analog Devices. To convert analog signals, a serial USB-3000 ADC with a channel polling rate of 3 MHz was used. Communication with a Note-Book computer is via a USB channel. Arbitrary selection of channels is carried out programmatically. The optical and electronic circuits together with the ADC are placed in a protective case measuring 100 × 120 × 250 mm.
Быстродействие прибора практически ограничено быстродействием фотодиодной линейки и скоростью цифрового преобразования. В данной реализации достигнуто временное разрешение измерителя цветовой температуры около 1 мкс. Применяя коммерчески доступную PIN-фотодиодную линейку и современные широкополосные усилители, можно получить быстродействие на уровне 0,1 мкс. Такие скорости можно реализовать, используя АЦП параллельного типа или многоканальные цифровые осциллографы, установленные непосредственно рядом с анализатором.The performance of the device is practically limited by the speed of the photodiode array and the speed of digital conversion. In this implementation, a temporal resolution of the color temperature meter of about 1 μs was achieved. Using a commercially available PIN-photodiode array and modern broadband amplifiers, you can get a speed of 0.1 μs. Such speeds can be realized using parallel-type ADCs or multi-channel digital oscilloscopes installed directly next to the analyzer.
На Фиг.4 показаны результаты испытаний прибора.Figure 4 shows the test results of the device.
В качестве тест-объекта нами выбран импульсный электрический разряд в диэлектрическом капилляре.As a test object, we chose a pulsed electric discharge in a dielectric capillary.
Калибровка прибора проводилась по эталонной лампе с температурой около 2800 К. Воспроизводимость измерений температуры собственно эталонной лампы составляла 0,3%. Величина цветовой температуры плазмы разряда составила 28000 К, что в 10 раз выше, чем при калибровке. Измеренная величина температуры в разряде оказалась на 10 % выше, чем величина, полученная паспортизованным измерителем яркостной температуры, что соизмеримо с погрешностью самого яркостного пирометра. Это свидетельствует о широком динамическом диапазоне измерений заявленного прибора.The instrument was calibrated using a reference lamp with a temperature of about 2800 K. The reproducibility of temperature measurements of the reference lamp itself was 0.3%. The color temperature of the discharge plasma was 28,000 K, which is 10 times higher than during calibration. The measured temperature in the discharge turned out to be 10% higher than the value obtained by the certified brightness temperature meter, which is comparable with the error of the brightness pyrometer itself. This indicates a wide dynamic range of measurements of the claimed device.
Величина абсолютной яркости объекта была на 4 порядка выше, чем при калибровке прибора, поэтому перед входом устанавливался нейтральный ослабитель. Имея калиброванные нейтральные ослабители, например сетчатые, можно с такой же точностью измерять абсолютные спектральные яркости и освещенности.The absolute brightness of the object was 4 orders of magnitude higher than when calibrating the device, so a neutral attenuator was installed in front of the entrance. With calibrated neutral attenuators, such as mesh, it is possible to measure the absolute spectral brightness and illumination with the same accuracy.
Программное обеспечение, специально разработанное для этого прибора на основе известных алгоритмов, позволяет рассчитывать абсолютные или относительные освещенности, либо яркости в выбранных каналах, а также вычислять цветовую температуру путем подгонки к ближайшей кривой Планка по минимуму среднеквадратичного отклонения, а также спектральные яркости или освещенности на произвольных длинах волн путем расчета в приближении черного тела.The software, specially developed for this device based on well-known algorithms, allows you to calculate the absolute or relative illumination or brightness in the selected channels, as well as calculate the color temperature by fitting to the nearest Planck curve to minimize the standard deviation, as well as spectral brightness or illumination at arbitrary wavelengths by calculating in the black body approximation.
Обработка данных и вывод результатов расчета временного хода температуры производится в течение нескольких секунд, что позволяет получать результаты прямо на испытательном полигоне и оперативно использовать их для подготовки следующего эксперимента.Data processing and output of the results of calculating the time course of the temperature is performed within a few seconds, which allows you to get the results directly at the test site and quickly use them to prepare the next experiment.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008115767/28A RU2366909C1 (en) | 2008-04-21 | 2008-04-21 | Multichannel device for measurement of pyrometric characteristics |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008115767/28A RU2366909C1 (en) | 2008-04-21 | 2008-04-21 | Multichannel device for measurement of pyrometric characteristics |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2366909C1 true RU2366909C1 (en) | 2009-09-10 |
Family
ID=41166677
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008115767/28A RU2366909C1 (en) | 2008-04-21 | 2008-04-21 | Multichannel device for measurement of pyrometric characteristics |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2366909C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2480718C2 (en) * | 2011-08-12 | 2013-04-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (ОАО "НПО ГИПО") | Spectral analysis device |
| RU2495388C1 (en) * | 2012-02-06 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" | Measuring method of thermogas-dynamic flow parameters |
| RU216059U1 (en) * | 2022-06-28 | 2023-01-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Digital Spectral Ratio Pyrometer |
-
2008
- 2008-04-21 RU RU2008115767/28A patent/RU2366909C1/en active
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2480718C2 (en) * | 2011-08-12 | 2013-04-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (ОАО "НПО ГИПО") | Spectral analysis device |
| RU2495388C1 (en) * | 2012-02-06 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" | Measuring method of thermogas-dynamic flow parameters |
| RU216059U1 (en) * | 2022-06-28 | 2023-01-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Digital Spectral Ratio Pyrometer |
| RU221120U1 (en) * | 2023-07-27 | 2023-10-19 | Акционерное общество "Концерн воздушно-космической обороны "Алмаз - Антей" | Output attenuation means |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6630999B2 (en) | Color measuring sensor assembly for spectrometer devices | |
| US7522786B2 (en) | Transmitting light with photon energy information | |
| US20080259318A1 (en) | Multi-channel array spectrometer and method for using the same | |
| WO2015062445A1 (en) | Spectrum analysis system | |
| WO2013033982A1 (en) | Optical fibre bundle spectrometer | |
| EP2002227A2 (en) | Spectroscope and method of performing spectroscopy | |
| CN101782428A (en) | Spectrum self-correction photometer and measuring method thereof | |
| CN109060731B (en) | Device and method for testing spectral transmittance of infrared optical system | |
| RU2366909C1 (en) | Multichannel device for measurement of pyrometric characteristics | |
| Ohno | Spectral colour measurement | |
| US9310249B2 (en) | Spectrophotometer for the automated optical characterization of solar collector tubes and method for the operation thereof | |
| US7321423B2 (en) | Real-time goniospectrophotometer | |
| CN110044495B (en) | Temperature measurement system and temperature measurement method based on multispectral | |
| US10578486B2 (en) | Method of calibrating spectrum sensors in a manufacturing environment and an apparatus for effecting the same | |
| JP4324693B2 (en) | Spectral response measuring device of photodetector, measuring method thereof, and spectral irradiance calibration method of light source | |
| CN111442840A (en) | Spectrum response measuring method and system of integrating sphere photometer | |
| JP2010048640A (en) | Absolute spectroradiometer | |
| CN108037078B (en) | Method and system for measuring optical performance of material based on matrix transformation | |
| WO2021208349A1 (en) | Integrating sphere photometer spectral response measurement method and system | |
| Eppeldauer et al. | Optical characterization of diffuser-input standard irradiance meters | |
| CN112254836A (en) | Optical fiber ultra-high temperature thermometer based on colorimetric method | |
| Mueller et al. | Characterization of oceanographic and atmospheric radiometers | |
| CN105301674B (en) | Meteorological optical range detection means | |
| WO2020018168A1 (en) | System and method for multi-channel pyrometer allowing non-contact temperature measurements down to 800 k on the microsecond scale | |
| Eppeldauer et al. | Transfer standard filter radiometers: applications to fundamental scales |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20121224 |