SE420769B - Fiberoptiskt temperaturmetdon av pyrometertyp - Google Patents

Description

15 20 25 35 7812480-7 Vid en föredragen utföringsform av uppfinningen uppdelas den sammansatta signalen från givaren dels i en mätkomponent, härrörande från den av givaren eller mätobjektet emitterade strålningen, dvs mätsignalen, dels en eller flera från nämnda. ljuskälla via fibern sände referenskomponenter. Medelst denna. uppdelning ernås goda möjligheter till mätnoggramxhet, exempelvis vid temperaturmätning i en stålugn eller -skänln Uppfinningen är närmare beskriven i bifogade figurer, av vilka figunr 1 visar en anordning enligt uppfinningen med givare och elektronikenhst, figur 1a och 1b_ varianter av elektronikenheten, figur 2 en variant av hela. mätanordningen samt figur 3a-3d varianter av givarenheten.

I fig 1 visas ett mätdon enligt uppfinningen med automatisk kompensering för variationer hos fiberoptikens dämpning i en fiberoptisk temperaturgivare en- ligt pyrometerprincipen. Denna kompensering innebär en lösning på. nyss nämnda stabilitetsproblem, proölem vid åldring av ingående komponenter eto. Utsignalen från en oscillator 1 med frekvensen f1 går via en styrbar förstärkare 2 till drivkretsen 3 för ljuskällan 4 (en eller flera ljuskällor kan drivas på. detta sätt), som kan vara en lysdiod eller en halvledarlaser. Det sålunda module- rade ljuset kopplas till en optisk fiber 5, från vilken en del av ljuset tagits ut med kopplarsn 6 till en fotodetektor 7, t ex en fotodiod eller fototransistor, vars fotoström förstärks i förstärkaren' 8 och demoduleras i demodulatorn 9, varefter den demodulerade signalen i jämförelsedonet 10 jäm- föres med en referenssignal 11 från en referenssignalkälla. Signalenna i jäm- förelsedonet är likspärmingar. Utsignalen från skillnadsbildaren eller Jäm- förelsedonet 10 utgör således felsigraal för en regulator 12, som styr den reglerbara förstärkaren 2 på så. sätt, att amplituden hos det modulerade lju- set från ljuskällan 4 alltid hålles konstant oberoende av åldring, instabili- tet m m. Det ljus, som passerar kopplaren 6 i riktning mot mätstället, kopplas i förgreningen 15 in i fibern 14, som' leder till själva mätgivaren 15, vilken i figuren består av en svartkroppsstrålare. Givardelen är i fig 1 'betecknad G och elektronikdelen E, och dessa delar G resp E kan befinna. sig på stort av- stånd från varandra, varigenom elektronikdelen kan förvaras oberoende av miljö- förhållandena kring givaren G. Från svartkroppsstrálaren 15 emitteras den värmestrålning, som utgör ett mått på. svartkroppsstrálarens temperatur, in i fibern 14 och lades, tillsammans med det mot svartkroppsstrålaren och/eller fiberänden reflekterade ljuset från ljuskällan 4, genom fibem 14 till för- greningen 13, och därifrån via fibern 16 till fotodetektom 17, som kan vara en fotodiod, en fototransistor eller enfpyroelektrisk detsktor. Givarens mät- sigrlal är således strålningen från svartkroppsstrålaren och från givaren ut- 10 15 20 25 30 55 7812480-7 går även reflekterat ljus från ljuskällsn 4. Potodetektorxis 17 utsignal för- stärks i förstärkaren 18, ooh den sålunda förstärkta. detektorsignslen delas av filtren 19 och 22 upp i två komponenter, härrörande från ljuskållan 4 resp svartkroppsetrålaren 15. Utsignalen från filtret 19, vilken är referens- signalen, utgående från ljuskällan 4, demodulerae i demoduleringsdonet 20 ooh påföres en krets 21, vilken bildar kvadretroten av signalen. I den kvot- bildande kretsen 23 erhålles kvoten mellan utsignalerna från filtret 22 och kretsen 21 och påföres det registrerande eller indikerande instrumentet 24. Eftersom utsignalen 22 påverkas lika mycket som utsignalen från 21 av variationer i fiberoptiska överföringskanalen 14 (genom miorobending, skar- var etc), komer utsignalen från kvotbildsren att vara kompenserad för dessa variationer. Rotutdragmingen i kretsen 21 är nödvändig, då ljuset från ljus- källan 4 går igenom fibern 14 två gårxger (fram och åter), medan strålningen från svartkroppsstrålaren 15, som spärras av det elektriska filtret 19 men släpps igenom av filtret 22, endast går igenom fibern en gång. Alternativt kan signalen från filtret 22 kvadreras, vilket dock ger en kvadratisk mät- skala, varvid kretsen 21 utgår. Detta alternativ har ej visats i figuren.

I stället för kvotbildningselektroniken inom den inre streckade rektangeln i fig 1 kan en regulatorkrets enligt fig 1a användas. Utsigrlalen från detektorförstärkaren 18, vilken erhåller sigxalenza. från givaren G, passerar här en reglerbar förstärkare 28 irman uppdelningen i de två. komponenterna. mätkomponent och referenskomponent görs med filtren 22 och 19. Komposanten med modulationsfrekvensen f1 jämföres i jämförelsedonet 25 efter rotutdrag- ning i funktionsgeneratorn 21 med en referens 26, och felsigzzalen från 25 pâföres en regulator 27, vilken styr den reglerbara. förstärkaren 28. Därigenom erhålles kontinuerligt kompensation för variationer i överföringen hos fibern 14, och utsigzialen från filtret 22 kan direkt användas som mätsigrzal till mät- instnzmentet 24. Filtret 22 spärrar som bekant för referenssignzlezna, vilka moduleras med frekvensen f1. i f vid stora noggrannhetskrav kan dålig matchning mellan fotodetektorerns 7 och 17 leda till oacceptabla mätfel. Ett sätt att kringgå. detta visas i fig 1b.

Oscillatom 34 modulerar via drivkretsen 35 ljuskällan 36, som i ett konstant förhållande med modulationsfrekvensen f2, som är skild från f1, belyser foto- detektorerna 7 och 17. I en ekillnadsbildaro 30 jämföras utsignalen från en reglerbar förstärkare 29, kopplad till utgången på detektorförstärkaren 8, med utsigxalen från detektorförstärkaren 18. Den så erhållna skillnadseimalen filtreras med avseende på signalen från ljuskällan 36 i filtret 31, demodule- ras i 32 och påföres regulatorn 33, som styr den reglerbara förstärkaren 29 så, 10 15 20 25 30 55 7812480-7 att utsignalen från denna. hållas lika med utsignalen från detektorförstärksren 18 med avseende på komponenten med frekvensen i' . Därigenom kompenseras för- stärkaren 29 för avvikelser i mateimingen mellan fotodetektorerna 7 ooh 17.

För övrigt används samma elektronik som vad fallet är vid anordningen enligt fig 1.

Separationen av mäït- och referenskomponenter görs i fig 1 genom frekvens- multiplexing (referenssigaalen har frekvensen f1 och mätsignalen kan naturligtvis även göras genom tidsmultiplexing med switchad ljuskälla och hållkretsar efter detektorsigmalenza.

Om problem uppstår att hålla. samma. moduppsättning i fibern 14 vad gäller lju- set från ljuskällan 4 och svertkzroppssträlaren 15 kan modblandnixig utföras i fibern 5 och/eller diffusfilter placeras framför ljuskällan 4. Vidare kan flera ljuskällor 4 med olika modulationsfrekvens och olika spektralfördelning användas för att automatiskt kalibrera fihern 14 vid olika våglängdsområden.

Givaren enligt fig 1 har ett slutet optiskt system. Om beröringsfri pyromet- risk temperaturmätning krävs, kan fibems 14 änma antireflexbehandlas, var- vid ljuset från ljuskällan 4 kommer att reflekteras mot mätobjektet. Därigenom kommer kompensation att erhållas för varierande dämpning i det öppna optiska systemet, t ex genom nedsmutsning, och till och med kan viss kompensation erhållas för varierande emissionsfaktor hos mätobjektet.

I fíg 2 visas ett alternativt arrangemang för kompensation av varierande ljusdämpnirag i fiberoptiken hos en fiberoptisk pyrometer. Ljuskällan 4 sän- der här ett omoduleret ljus in i fihern 5, och detta ljus hållas konstant genom den optiska. áterkopplingen via förgreningen 40, fibern 50 (áterförings- väg), fotoaetektom 7 och aetekcorfsrevarxaren s; m; utsignsi pafares skill- nadsbildaren 10, vilken även påföreš en referenssignal från 11. Felsignalen påföres regulatorn 12. På samma sätt som visas i fig 'lb kan fotodetektom 7 även här elektroniskt matchas till övriga detektorer (46 och 47). Den del av ljuset från ljuskällan 4, som inte kopplas till fibern 50, ledes vidare genom fibern 14 till ett interferensfilter 37, som reflekterar tillbaka mer- parten av ljuset från ljuskällan 4 och samtidigt transmitterar en del av den strålning som via optiken 38 och 59 komer från mätobjektet, exempelvis en stålugx eller stålskänk. Strålningen från mätobjektet, ett mått på. dess temperatur, går således tillsammans med det av filtret 57 reflekterade lju- set in i fibern 14, kopplas i förgrsningen 40 till fibern 16 och sedan i förgreningen 41 till fibrerna 42 och 43. Mellan fiberns 42 ändyta och 'foto- 10 15 20 50 7812480-7 detektorn 47 finns ett filter 44, som endast släpper igenom ljuset från ljus- källan 4, och mellan fiberns 45 ändyta och fotodetektorn 46 finns ett filter 45, som endast släpper igenom den strålning från mätobjektet som passerat filtret 57. Härigenom bildas efter detektorförstärkaren 48 och funktions- bildaren 21 för utdragning av kvadratroten en signal, som är proportionell mot dëmpningen i fiberoptiken, och efter kvotbildningen i kvotbildaren 23 erhålles en för fiberoptiken kompenserad mätsigrxal till donet 24. Tempera- turen kan således avläsas vid detta instrument 24. Pâ. samma sätt som visas i fig 1'b utför kretsarna 29-56 en kompensering av avvikelser i matchningen mellan fotodetektorerna 46 och 47.

I stället för att använda förgreningen 41 och de två. fibrerna 42 och 45 kan fotodetektorerxza 46 och 47 med filtren 45 resp 44 monteras intill varandra framför fiberns 16 ändyta (ej visat). l :ïig 5a-5d visas några olika givararrangemang, som kan förekomma i de mätdon som beskrivits med hjälp av fig 1 och 2. I fig 5a erhålles svartkroppsstràl- ningen från ett skikt 52, som lagts på, ett filter 51, som reflekterar refe- rensstrålen från ljuskällan 4 (se fig 1 och 2) och transmitterar delar av strålningen från 52. Filtret 51, som kan vara ett flerskikts interferensfil- ter, förångat på. ändytan av fibern 14, kan utelämzas, varvid referensstrålen reflekteras i gränsytan mellan fibem och strålaren 52. I fig 5b visas en variant av fig ša, ooh här är strålaren 55 inte :Lberöring med fiberns 14 ändyta .

I fig 5c är strålaren belägen inuti själva fibern, varför mättemperaturen är densamma som fiber-temperaturen. Strålaren kan bestå av små. korn 54 inuti fibem, eller också kan strålningen från fibern själv utgöra mätsigxialen.

Fiberns ändyta kan antingen vara belagd med ett speglande skikt, vara av- slutad direkt mot omgivande luiteller mot en indexmatchande reflexfri av- slutning. I det senare fallet utnyttjas kornen 54 för reflexion av referens- ljuset.

Slutligen visar fig 5d det fall då det strålande mediet 54 är beläget i man- teln 14b till fibern 14. i Anordningarna enligt ovan kan varieras på. mängahanda sätt inom ramen för nedanstående patentkrav.

Claims (13)

,781248Û-7 PATENTKHAV

1. Fiberoptiskt temperatzmnätdon av pyrometertyp, innefattande en givardel (G) beh en elektrbnikael (m), inbördes förbundna med minst en optisk fiber (14), varvid elektronikdelen innehåller en eller flera ljuskällor (4) och en eller flera detektorer (17), k ä n n e t e c k n a. t därav, att ljuset från minst en ljuskälla (4) är anordnat att sändas via nämnda optiska fiber (14) till givaren (G), att i denna. ljuset åtminstone till en del reflekteras till- baka in i nämnde fiber (14), eemt ett nämnde reflekterade ljus tillsammans med åtminstone en del av den från givaren (G) emitterade strålningen, dvs mätsig- nelen 1 nämnde fiber, leae till ninet en i elextrenikaelen (E) ingående aetekter.

2. Fiberoptiskt temperaturmätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e o k - n s. t därav, att elektronikdelen innehåller organ för uppdelning av den sammansatta signalen från givaren (G) i dglå en mätkomponent, härrörande från den av givaren eller mätobjelztet emitterede strålningen och 51_e_l¿ en eller flera referenekomponenter, här-rörande från nämnda. en eller flera ljus- källor (4).

3. Fiberoptiekt temperaturmätdon enligt patentkzrav 2, k ä n n e t e o k - n a. t därav, att nämnda. en eller flera ljuskällor (4) är anordnade att modu- leras med en eller flera skilda frekvenser (f1), som icke förekommer hos den från givaren (G) eller mätobjektet emitterade strålningen, samt att sigm- lerna från nämde. minst en detektor är anordnade att uppdelas medelst elekt- riska filter (19, 22) i nämnda mät- och referenskomponenter.

4. Fiberoptiskt temperaturmätdon enligt patentkrav 2, k ä. n n e t e c k - n e. t därav, ett nämde en euer flere nuekäner (4) är tiaenultipmreae samt att sigxqalema från nämnda minst en detektor är anordnade att tids- demultiplexas i och för uppdelning air dessa signaler i nämnde mät- och refe- renskomponenter.

5. Fiberoptiskt temperatumätdon enligt patentkrav 2, k ä. n n e t e c 1: - n a t därav, att de i elektronik-delen ingående detektorerne. (46, 47) är för- sedda med optiska filter (44, 45) för uppdelning av ljuset i nämnda mät- och referenskomponenter. 7812480-7

6. Fiberoptiekt temperaturmätdon enligt patentkrav 2, k 8. n n e t e c k - n n t aan-ev, ett den eller ae från nunnan ninet en uuekane (4) narrzsrenae en eller flera referennkomponenter är anordnade att pdföras funktionebildare (21), vara uteignal utgör kvadratroten av ineigzzelen, alternativt att mät- komponenten, som härrör från givaren eller mätobjektet, är anordnad att pd- föras en funktionsbildare, vara uteignal utgör kvedraten av ineignelen.

7. Fiberoptiekt temperaturmätdon enligt patentlmav 6, k ä n n e t e c k - n e. t av anordning för kvotbildning mellan utsignalen från förstnämnda. fimktienebildnre (21) och nämnde nätxenpenent ene: nenen nämde en eller flera referenskemponenter och utsignalen från den sistnämda funktionsbil- daren.

8. Fiberoptiskt temperaturmätdon enligt patentkrav 2, k ä. n n e t e c k - n a. t därav, att nämnda en eller flera referenekomponenter är anordnade att tillsammans med en referenesigxal (26) påföras ett eller flera jämförelse- don (25), vars utsignaler är anordnade att styra en eller flera. regulatorer (27), som reglerar en eller flera etyrbara förstärkare (28), inkepplade mellan nämnda minst en detektor (17) och nämnda. uppdelning-sorgen (19, 22).

9. Fibereptiskt temperaturmätdon enligt patentkrav 1, k ä. n n e t e c k - n a. t därav, att ljus från nämnda minst en ljuekälla (4) är anordnat att åter-kopplas via. en eller flere. fetodetektorer (7) och en eller flera regula- neren (12) för kenetenfnaiining ev ljuset från nämnde minst en mnekälle.

10. Fiberoptiskt temperatumätdon enligt petentkrav 1, k á, n n e t e c k - n a t därav, att frekvene- eller tidemultiplerat ljus från minst en ev nämde en eller flere ljuekäuer (36) 1 kenetente intar-dee pnepertiener är enerdnet att påföras minst två. av nämde. en eller flera detektorer (7, 17), och att detaktorkretearm innehåller erreller flera. reglerbara förstärkare (29), som är anordnade att styras av en eller flera regulatorer (8, 18), vilka är anord- neae ett erhålla feleignener genen ekmneaebnaning (ao) neuen ae enn detektorsimalerna. vid utgången av de regler-bara. förstärkarna. eller detektor- föratärkama. efter frekvens- resp tidsdemiltiplexing med avseende på. nämnda. ljuskällor (56).

11. Fiberoptiakt temperaturmätden enligt patentkrav 1, k ä. n n e t e c k - n e t aärev, ett given-en (c) innehåller ett epuerc :mer (57), een namne- tone till en del reflekterar ljuset från nämnda minst en ljuskälla (4) och een trenenmerer hele ene:- aelen ev den från givaren (cn/nätebåektet emitterade strålningen. I f ; 7812480-7

12.. Fiberoptiskb temperaturmätdon enligt patentkràv 1, l: ä. n n e t e c k - n a. t därav, att den av givaren emitterade strålningen är anordnad att ema- nera från fibermaterialet självt och/eller föroreningar i fibern.

13. Fiberoptiskt temyeraturmätdon enligt patentkrav 12, k ä n n e t e c k - n a t därav, att nämnda. föroreningar utgöres av mer eller mindre svartkropps- strålande korn, sem ecksá reflekterar delar av ljuset från nämnda minst en ljuskälla..