RU77423U1

RU77423U1 - RADIATION THERMOMETER

Info

Publication number: RU77423U1
Application number: RU2008125316/22U
Authority: RU
Inventors: Василий Александрович Двинских; Юрий Андреевич Скляров
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2008-10-20

Abstract

Полезная модель относится к актинометрии и может быть использована для измерения радиационной температуры поверхности. Задачей предлагаемого решения является разработка радиационного термометра с более высокими параметрами. Технический результат заключается в повышении точности и быстродействия. Поставленная задача достигается тем, что радиационный термометр, содержащий автогенераторный измерительный трансформаторный мост переменного тока, между выходом и входом которого последовательно включены усилитель и ограничитель амплитуды колебаний, одно плечо моста соединено с приемным болометрическим элементом, другое - с дополнительным болометрическим элементом, блок управления, блок компенсации в виде источника нарастающего напряжения, усилителя мощности, согласно решению, в него дополнительно введены амплитудный детектор, усилитель запоминания уровня, калиброванный резистор, болометрическое тело, дифференциальный усилитель, два аналогово-цифровых преобразователя, микропроцессор и отсчетный индикатор, усилитель выполнен узкополосным, при этом к выходу узкополосного усилителя подключен амплитудный детектор, который в свою очередь соединен с выходом блока управления; который соединен с источником нарастающего напряжения и усилителем запоминания уровня, выход усилителя запоминания уровня соединен с входом усилителя мощности, выход которого соединен с калиброванным резистором, соединенным с болометрическим телом, расположенным параллельно дополнительному болометрическому телу, между усилителем мощности и болометрическим телом размещена цепь, состоящая из дифференциального усилителя, первого аналогово-цифрового преобразователя, подключенного к выходу дифференциального усилителя, и второго аналогово-цифрового преобразователя, подключенного - к болометрическому телу, выходы обоих преобразователей через микропроцессор связаны с отсчетным индикатором.The utility model relates to actinometry and can be used to measure radiation surface temperature. The objective of the proposed solution is to develop a radiation thermometer with higher parameters. The technical result is to increase the accuracy and speed. The task is achieved in that a radiation thermometer containing an alternating current generator measuring transformer bridge, between the output and input of which an amplifier and an amplitude limiter are connected in series, one bridge arm is connected to a receiving bolometric element, the other to an additional bolometric element, control unit, unit compensation in the form of a source of increasing voltage, a power amplifier, according to the solution, an amplitude detector, divisor memory level, a calibrated resistor body bolometric, a differential amplifier, two analog-to-digital converter, a microprocessor and the reference light, configured narrowband amplifier, wherein the amplifier to the output of the narrowband amplitude detector is connected which in turn is connected to the output of the control unit; which is connected to an increasing voltage source and a level memory amplifier, the output of the level memory amplifier is connected to the input of a power amplifier, the output of which is connected to a calibrated resistor connected to a bolometric body located parallel to the additional bolometric body, a circuit consisting of a power amplifier and a bolometric body differential amplifier, the first analog-to-digital converter connected to the output of the differential amplifier, and the second analog A digital-to-digital converter connected to a bolometric body, the outputs of both converters are connected via a microprocessor to a reading indicator.

Description

Полезная модель относится к актинометрии и может быть использована для измерения радиационной температуры поверхности.The utility model relates to actinometry and can be used to measure radiation surface temperature.

Известен измеритель солнечной радиации, содержащий размещенные в корпусе с апертурной трубой приемный и дополнительный болометрические элементы, включенные в трансформаторный мост, причем приемный - через накопительный элемент, а дополнительный закрыт защитным экраном, полосовой усилитель и ограничитель амплитуды колебаний, размещенные между входом и выходом трансформаторного моста, индикатор колебаний, включенный параллельно выходу полосового усилителя, резистор с двумя зажимами, связанный с выходом индикатора колебаний блок управления и компенсации, первый выход которого соединен с одним зажимом резистора, умножитель с дифференциальным и потенциальным входами и выходом, причем дифференциальный вход подключен параллельно резистору, а выход через отсчетное устройство - ко второму выходу блока управления и компенсации, отличающийся тем, что он дополнительно имеет шторку с приводом, закрывающую приемный болометрический элемент, блок управления и компенсации снабжен третьим выходом, соединенным с приводом шторки, второй зажим резистора соединен с приемным болометрическим элементом, параллельно которому подключен потенциальный вход умножителя (см. патент №2877, МПК G01W 1/12).A known solar radiation meter, comprising a receiving and additional bolometric elements located in a housing with an aperture tube, is included in the transformer bridge, the receiving one through the storage element, and the additional one is closed by a protective screen, a strip amplifier and an oscillation amplitude limiter located between the input and output of the transformer bridge , an oscillation indicator connected in parallel with the output of the strip amplifier, a resistor with two clamps, connected to the output of the oscillation indicator, control unit phenomena and compensation, the first output of which is connected to one clamp of the resistor, a multiplier with differential and potential inputs and output, the differential input being connected in parallel with the resistor, and the output through the reading device to the second output of the control and compensation unit, characterized in that it additionally has a curtain with a drive closing the receiving bolometric element, the control and compensation unit is equipped with a third output connected to the drive of the curtain, the second clamp of the resistor is connected to the receiving bolome eral element is connected parallel to the voltage input of the multiplier (see. patent No. 2877, IPC G01W 1/12).

Недостатком этого измерителя является низкая точность.The disadvantage of this meter is its low accuracy.

Известен инфракрасный радиационный термометр, содержащий приемник радиации, широкополосный и узкополосный фильтры, фокусирующее зеркало, модулятор, черное тело, усилитель с синхронным детектором и регистрирующее устройство. С целью повышения точности, а также получения линейной по температуре шкалы и автоматизации процесса обработки результатов измерения, термометр снабжен двумя нелинейными включенными встречно через реверсный двигатель потенциометрами, соединенными с синхронным детектором, движок одного из которых жестко связан с реохордом автоматического уравновешивающегося моста электрического термометра сопротивления, служащего для измерения температуры черного тела, а положение движка второго, связанного с реверсивным двигателем, характеризует температуру излучающего объекта (см. Авторское свидетельство №197224, МПК G01К 8/60).Known infrared radiation thermometer containing a radiation receiver, broadband and narrowband filters, a focusing mirror, a modulator, a black body, an amplifier with a synchronous detector and a recording device. In order to increase accuracy, as well as to obtain a linear temperature scale and to automate the processing of measurement results, the thermometer is equipped with two non-linear potentiometers connected counter-clockwise through a reverse engine and connected to a synchronous detector, one of which is rigidly connected to the rechord of an automatic balancing bridge of an electric resistance thermometer serving to measure the temperature of the black body, and the position of the engine of the second, associated with the reverse engine, is characterized by the temperature of the radiating object (see. Author's Certificate №197224, IPC G01K 8/60).

Недостаткам данного термометра является низкая точность измерения.The disadvantages of this thermometer is the low accuracy of the measurement.

Наиболее близким по технической сущности является измеритель солнечной радиации, содержащий автогенераторный измерительный трансформаторный мост, между выходом и входом которого последовательно включены полосовой усилитель и ограничитель амплитуды колебаний, одно плечо моста соединено через накопительный элемент с приемным болометрическим элементом, другое - с дополнительным болометрическим элементом, блок компенсации в виде источника нарастающего напряжения, усилителя мощности, последовательно соединенные с ними индуктивным дросселем и резистором, умножитель, первый вход которого подсоединен параллельно резистору, а выход умножителя - к отсчетному устройству; индикатор автоколебаний через блок управления соединен с управляющими входами источника напряжения, умножителя и отсчетного устройства, источник напряжения снабжен дополнительным входом, соединенным с выходом индикатора автоколебаний, включенного параллельно выходу полосового усилителя, а выходная цепь резистора подсоединена между накопительным элементом и приемным болометрическим элементом, параллельно которому включен второй вход умножителя, причем болометрический элемент снабжен шторкой, связанной с блоком управления (см. заявку №93016338, МПК G01W 1/12).The closest in technical essence is a solar radiation meter containing a self-generating measuring transformer bridge, between the output and input of which a strip amplifier and an amplitude limiter are sequentially connected, one arm of the bridge is connected through a storage element to a receiving bolometric element, the other to an additional bolometric element, block compensation in the form of a source of increasing voltage, power amplifier, connected in series with them inductive dr an oscillator and a resistor, a multiplier, the first input of which is connected in parallel with the resistor, and the output of the multiplier to the reading device; the self-oscillation indicator through the control unit is connected to the control inputs of the voltage source, multiplier and reading device, the voltage source is equipped with an additional input connected to the output of the self-oscillation indicator, connected in parallel with the output of the strip amplifier, and the output circuit of the resistor is connected between the storage element and the receiving bolometric element, in parallel to which the second input of the multiplier is turned on, and the bolometric element is equipped with a shutter connected to the control unit (see Taste No. 93016338, IPC G01W 1/12).

Однако недостатком этого измерителя является низкая точность. Задачей предлагаемого решения является разработка радиационного термометра с более высокими параметрами.However, the disadvantage of this meter is its low accuracy. The objective of the proposed solution is to develop a radiation thermometer with higher parameters.

Технический результат заключается в повышении точности и быстродействия.The technical result is to increase the accuracy and speed.

Поставленная задача достигается тем, что радиационный термометр, содержащий автогенераторный измерительный трансформаторный мост переменного тока, между выходом и входом которого последовательно включены усилитель и ограничитель амплитуды колебаний, одно плечо моста соединено с приемным болометрическим элементом, другое - с дополнительным болометрическим элементом, блок управления, блок компенсации в виде источника нарастающего напряжения, усилителя мощности, согласно решению, в него дополнительно введены амплитудный детектор, усилитель запоминания уровня, калиброванный резистор, болометрическое тело, дифференциальный усилитель, два аналогово-цифровых преобразователя, микропроцессор и отсчетный индикатор, усилитель выполнен узкополосным, при этом к выходу узкополосного усилителя подключен амплитудный детектор, который в свою очередь соединен с выходом блока управления, который соединен с источником нарастающего напряжения и усилителем запоминания уровня, выход усилителя запоминания уровня соединен с входом усилителя мощности, выход которого соединен с калиброванным резистором, соединенным с болометрическим телом, расположенным The task is achieved in that a radiation thermometer containing an alternating current generator measuring transformer bridge, between the output and input of which an amplifier and an amplitude limiter are connected in series, one bridge arm is connected to a receiving bolometric element, the other to an additional bolometric element, control unit, unit compensation in the form of a source of increasing voltage, a power amplifier, according to the solution, an amplitude detector, a level memory, a calibrated resistor, a bolometric body, a differential amplifier, two analog-to-digital converters, a microprocessor and a reading indicator, the amplifier is narrow-band, and an amplitude detector is connected to the output of the narrow-band amplifier, which in turn is connected to the output of the control unit, which is connected with an increasing voltage source and a level memory amplifier, the output of the level memory amplifier is connected to the input of the power amplifier, the output of which is connected to the cal brovannym resistor connected to the bolometric body disposed

параллельно дополнительному болометрическому телу, между усилителем мощности и болометрическим телом размещена цепь, состоящая из дифференциального усилителя, первого аналогово-цифрового преобразователя, подключенного к выходу дифференциального усилителя, и второго аналогово-цифрового преобразователя, подключенного - к болометрическому телу, выходы обоих преобразователей через микропроцессор связаны с отсчетным индикатором.parallel to the additional bolometric body, between the power amplifier and the bolometric body there is a circuit consisting of a differential amplifier, a first analog-to-digital converter connected to the output of the differential amplifier, and a second analog-to-digital converter connected to the bolometric body, the outputs of both converters are connected via a microprocessor with a reference indicator.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема радиационного термометра, гдеThe utility model is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of a radiation thermometer, where

1 - приемный болометрический элемент;1 - receiving bolometric element;

2 - дополнительный болометрический элемент;2 - additional bolometric element;

3 - узкополосный усилитель;3 - narrowband amplifier;

4 - ограничитель амплитуды колебаний;4 - limiter of the amplitude of the oscillations;

5 - трансформатор;5 - transformer;

6 - амплитудный детектор;6 - amplitude detector;

7 - блок управления;7 - control unit;

8 - источник нарастающего напряжения;8 - source of increasing voltage;

9 - усилитель запоминания уровня;9 - level memory amplifier;

10 - усилитель мощности;10 - power amplifier;

11 - калиброванный резистор;11 - calibrated resistor;

12 - дифференциальный усилитель;12 - differential amplifier;

13 - болометрическое тело;13 - bolometric body;

14 - первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП);14 - the first analog-to-digital Converter (ADC);

15 - второй аналого-цифровой преобразователь;15 - the second analog-to-digital Converter;

16 - микропроцессор;16 - microprocessor;

17 - отсчетный индикатор.17 - reference indicator.

Радиационный термометр содержит автогенераторный измерительный трансформаторный мост переменного тока, включающий в себя идентичные приемный 1 и дополнительный 2 болометрические элементы, размещенные на одной оси от теплоизоляционного экрана в корпусе, снабженном апертурными окнами. И болометрическое тело 13, размещенное на той же оси против дополнительного болометрического элемента 2. Трансформатор 5 одним плечом соединен с ограничителем амплитуды колебаний 4, а другим - с узкополосным усилителем 3. Амплитудный детектор 6 подключен к выходу узкополосного усилителя 3 и входу блока управления 7, соединенного с блоком компенсации в виде источника нарастающего напряжения 8. Термометр также содержит последовательно соединенные The radiation thermometer contains a self-generating measuring transformer bridge of alternating current, which includes identical receiving 1 and additional 2 bolometric elements located on the same axis from the heat-insulating screen in a housing equipped with aperture windows. And the bolometric body 13, placed on the same axis against the additional bolometric element 2. The transformer 5 is connected to the narrow-band amplifier 3 by one arm and the narrow-band amplifier 3. The amplitude detector 6 is connected to the output of the narrow-band amplifier 3 and the input of the control unit 7, connected to the compensation unit in the form of a source of increasing voltage 8. The thermometer also contains series-connected

усилитель запоминания уровня 9, усилитель мощности 10, калиброванный резистор 11, соединенный с болометрическим телом 13, а также дифференциальный усилитель 12, первый 14 и второй 15 аналого-цифровые преобразователи, микропроцессор 16 и отсчетный индикатор 17.a memory amplifier 9, a power amplifier 10, a calibrated resistor 11 connected to the bolometric body 13, as well as a differential amplifier 12, the first 14 and second 15 analog-to-digital converters, a microprocessor 16 and a reading indicator 17.

Радиационный термометр работает следующим образом.Radiation thermometer works as follows.

В отсутствии измеряемого теплового излучения температуры приемного 1 и дополнительного 2 болометрических элементов и болометрического тела 13 одинаковы. Мост находится в состоянии баланса и автоколебаний нет. При воздействии излучения на приемный болометрический элемент 1 он нагревается, что приводит к появлению автоколебаний в мосте, и в результате на выходе амплитудного детектора 6 появляется сигнал, воздействующий на блок управления 7, вызывающий запуск источника нарастающего напряжения 8, приводящий через усилитель запоминания уровня 9 усилитель мощности 10 и через калиброванный резистор 11 к нагреву болометрического тела 13 и соответственно за счет излучения с него к нагреву дополнительного болометрического элемента 2 до достижения баланса моста.In the absence of measured thermal radiation, the temperatures of the receiving 1 and additional 2 bolometric elements and the bolometric body 13 are the same. The bridge is in a state of balance and there is no self-oscillation. When radiation is applied to the receiving bolometric element 1, it heats up, which leads to the appearance of self-oscillations in the bridge, and as a result, the output of the amplitude detector 6 gives a signal that acts on the control unit 7, causing the start of the increasing voltage source 8, which leads the amplifier through the memory amplifier level 9 power 10 and through a calibrated resistor 11 to heat the bolometric body 13 and, accordingly, due to radiation from it to heat the additional bolometric element 2 to achieve balance bridge.

Блок управления 7, через усилитель 9 первый аналого-цифровой преобразователь 14, соединенный с выходом дифференциального усилителя 12, измеряющего ток в цепи 11-13, через второй аналого-цифровой преобразователь 15, измеряющий напряжение на болометрическом теле 13, обеспечивает запоминание уровня его нагрева. Через микропроцессор 16 производится вычисление сопротивления (R=U/I) болометрического тела 13. А по зависимости сопротивления от температуры определяется температура болометрического тела 13 и тем самым температура излучающей поверхности. Затем цикл измерения повторяется.The control unit 7, through the amplifier 9, the first analog-to-digital converter 14 connected to the output of the differential amplifier 12, which measures the current in the circuit 11-13, through the second analog-to-digital converter 15, which measures the voltage on the bolometric body 13, stores the level of its heating. Through the microprocessor 16, the resistance (R = U / I) of the bolometric body 13 is calculated. And the temperature of the bolometric body 13 and thereby the temperature of the radiating surface are determined by the dependence of the resistance on temperature. Then the measurement cycle is repeated.

Рассмотрим возможность практического применения предлагаемого радиационного термометра и перспективы его использования.Consider the possibility of practical application of the proposed radiation thermometer and the prospects for its use.

Для обеспечения нормальной работы автогенераторного моста трансформатор выполняется на тороидальном сердечнике с расположением частей вторичной обмотки симметрично по обе стороны от первичной обмотки. Частота автоколебаний определяется узкополосным усилителем и для обеспечения высокой чувствительности выбирается близкой к 100 кГц. Узкополосный усилитель, ограничитель амплитуды автоколебаний располагаются в непосредственной близости к элементам моста. Предварительной настройкой этой цепи добиваются возбуждения автоколебаний только при нагреве приемного болометрического элемента и срыва автоколебаний при нагреве дополнительного болометрического элемента до той же температуры. В качестве источника линейного нарастающего напряжения можно использовать цепь из резистора To ensure the normal operation of the self-generating bridge, the transformer is run on a toroidal core with the arrangement of the parts of the secondary winding symmetrically on both sides of the primary winding. The self-oscillation frequency is determined by a narrow-band amplifier and is selected close to 100 kHz to ensure high sensitivity. The narrow-band amplifier, the amplitude limiter of self-oscillations are located in close proximity to the elements of the bridge. By pre-setting this circuit, self-oscillations are excited only when the receiving bolometric element is heated and self-oscillations fail when the additional bolometric element is heated to the same temperature. As a source of linear increasing voltage, you can use a circuit from a resistor

и накопительного элемента с постоянного времени близкой к тепловой постоянной времени болометрического тела. При выборе элементов усилителя запоминания уровня следует учитывать соотношение между временем заряда соответствующего накопительного элемента и временем хранения этого заряда. Относительно легко добиться времени заряда 1 мкс, а времени хранения 1 мс. В качестве аналого-цифровых преобразователей целесообразно использовать АЦП типа К572ПВ1, имеющего 12 разрядов со временем преобразования 110 мкс. В этом случае можно использовать микропроцессор МПК серии КР1804 с ее микропроцессорной секцией КР1804ВС1 с четырьмя разрядами. Путем объединения трех секций получаем 12 разрядов. В микропроцессоре осуществляется вычисление сопротивления болометрического тела. Кроме того, вводится зависимость сопротивления болометрического тела от температуры тела с тем, чтобы отсчетный индикатор был градуирован в значениях радиационной температуры.and a storage element with a constant time close to the thermal time constant of a bolometric body. When choosing the elements of the level memory amplifier, one should take into account the ratio between the charge time of the corresponding storage element and the storage time of this charge. It is relatively easy to achieve a charge time of 1 μs and a storage time of 1 ms. It is advisable to use K572PV1 type ADCs with 12 bits with a conversion time of 110 μs as analog-to-digital converters. In this case, it is possible to use the microprocessor MPK of the КР1804 series with its microprocessor section КР1804ВС1 with four digits. By combining the three sections we get 12 bits. The microprocessor calculates the resistance of the bolometric body. In addition, the dependence of the resistance of the bolometric body on the body temperature is introduced so that the reference indicator is graduated in the values of the radiation temperature.

Радиационный термометр помимо измерения температуры любых поверхностей, стен произвольной ориентации подстилающей поверхности Земли в интересах сельского хозяйства может быть эффективно использован в металлургии для дистанционного контроля нагрева и соблюдения заданной технологии производства.In addition to measuring the temperature of any surfaces, walls of arbitrary orientation of the underlying surface of the Earth in the interests of agriculture, a radiation thermometer can be effectively used in metallurgy for remote monitoring of heating and compliance with a given production technology.

Claims

A radiation thermometer containing an alternating current oscillator measuring transformer bridge, between the output and the input of which an amplifier and an amplitude limiter are connected in series, one arm of the bridge is connected to a receiving bolometric element, the other to an additional bolometric element, a control unit, a compensation unit in the form of an increasing voltage source , power amplifier, characterized in that it additionally includes an amplitude detector, a level memory amplifier, gauge a resistor, a bolometric body, a differential amplifier, two analog-to-digital converters, a microprocessor and a reading indicator, the amplifier is narrow-band, while an amplitude detector is connected to the output of the narrow-band amplifier, which in turn is connected to the output of the control unit, which is connected to the source of increasing voltage and a level storage amplifier, the output of the level storage amplifier is connected to an input of a power amplifier, the output of which is connected to a calibrated resistor connected to A circuit consisting of a differential amplifier, a first analog-to-digital converter connected to the output of a differential amplifier and a second analog-to-digital converter connected to a bolometric body, the outputs of both converters through the microprocessor is connected to a reading indicator.