Патент на изобретение №2290614

(54) ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ПИРОМЕТР СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиационной пирометрии. Пирометр содержит два фотоприемника, из которых первый выполнен в виде фильтра, пропускающего излучение с длиной волны более 800 нм, а второй фотоприемник расположен за первым так, что на него попадает излучение, прошедшее через первый фотоприемник. При этом перед первым фотоприемником установлен светофильтр, поглощающий излучение в видимой части спектра, например в области длин волн 300-600 нм, и пропускающий излучение в области более длинных волн. Каждая пара – фильтр излучения и фотоприемник – установлена соосно оптической оси объектива. Технический результат – повышение точности, упрощение конструкции и снижение габаритов. 3 ил.

Изобретение относится к радиационной пирометрии, в частности к средствам бесконтактного измерения температуры нагретых тел, и может быть использовано, например, в металлургической промышленности для измерения температуры расплавов различных материалов.

В двухканальных пирометрах измеряемые потоки раздельно преобразуются в электрический сигнал приемниками, раздельно усиливаются усилителями и подаются в вычислительное устройство, где вычисляется их отношение.

Деление потока излучения на два канала осуществляется с помощью светоделительных устройств различных конструкций.

Известны двухканальные пирометры спектрального отношения, см., например, изобретение по а.с. №1800295.

Известный пирометр содержит объектив, апертурную и полевую диафрагмы, светоделительное устройство, два фотоприемника излучения, измеритель отношения сигналов и индикатор результатов измерений.

Светоделение осуществляется с помощью установленного под углом к оптической оси светофильтра, предположительно в виде полупрозрачного зеркала. Указанный светофильтр расщепляет поток излучения на два луча, примерно перпендикулярных друг другу и образующих два канала измерения.

Недостатком известного пирометра является выполнение светоделительного устройства в виде полупрозрачного зеркала, расщепляющего поток излучения на два перпендикулярных друг другу луча. Это приводит к увеличению габаритов пирометра и снижению точности измерений.

Принципиально по-иному решается задача расщепления потока излучения на два луча в изобретении по патенту №2192624. В этом изобретении светоделительное устройство выполнено в виде двух сферических зеркал, обращенных отражающими поверхностями друг к другу. Между этими зеркалами установлено наклонное вращающееся плоское зеркало. Световой поток через отверстие в первом зеркале попадает на наклонное вращающееся плоское зеркало и, отражаясь от сферических зеркал, попадает в фотоприемник. При этом в одном положении наклонного плоского зеркала поток излучения фокусируется через один светофильтр, а при противоположном положении – через другой светофильтр.

Недостатком этого пирометра является сложность устройства и большие габариты.

Известен двухканальный пирометр спектрального отношения по патенту 2095765.

В этом пирометре смещена оптическая ось пирометра, проходящая через объектив и полевую диафрагму к оптической оси проектирующей линзы. С одной стороны линзы имеется отражающая поверхность, а с другой стороны – приемная площадка, воспринимающая отраженное излучение.

Таким образом, осуществляется деление потока излучения на два луча, образующих два канала измерения.

Общим недостатком известных пирометров является сложность и большие габариты, что оказывает влияние и на точность измерений.

Целью изобретения является упрощение конструкции и снижение габаритов за счет создания оптимальной конструкции оптико-электронного тракта.

Эта цель достигается тем, что в пирометре, содержащем два фотоприемника, первый фотоприемник выполнен в виде фильтра, пропускающего излучение с длиной волн более 800 нм, а второй фотоприемник расположен за первым так, что на него попадает излучение, прошедшее через первый фотоприемник. При этом, перед первым фотоприемником установлен светофильтр, поглощающий излучение в видимой части спектра, например в области длин волн =300÷600 нм, и пропускающий излучение в области более длинных волн.

Кроме того, каждая пара – фильтр излучения и фотоприемник – установлены соосно оптической оси объектива пирометра.

Ток фотоприемника поступает в усилитель, а затем в аналогово-цифровой преобразователь и далее в микропроцессор, который вычисляет отношение сигналов излучения и формирует сигнал, пропорциональный температуре измеряемого тела.

На фиг.1 изображена блок-схема пирометра.

На фиг.2 приведен общий вид опытного образца пирометра.

На фиг.3 изображен узел приемников излучения с фильтрами в увеличенном виде.

Пирометр имеет объектив 1, который строит изображение объекта измерения на приемниках излучения 2, 3. Перед приемником 2 установлен светофильтр 4 с диафрагмой 5. Светофильтр 4 поглощает излучение в видимой части спектра, например в области длин волн =300÷600 нм, но пропускает излучение в ближней ИК-области спектра. Такое свойство светофильтра 4 необходимо для того, чтобы избежать нежелательной засветки от внутренних стенок трубы пирометра. Засветка может вызвать ошибки измерения. Диафрагма 5 ограничивает пучок лучей, поступающих в пирометр через объектив 1.

Приемник излучения 2 выполнен в виде фильтра.

Приемники 2, 3 и фильтр 4 расположены на оптической оси объектива 1.

Сигнал с приемников излучения 2, 3, поступает на усилители 6а, 6б, которые генерируют аналоговые сигналы U₁(₁) и U₂(₂). Аналогово-цифровые преобразователи АЦП 7а и 7б преобразуют аналоговые сигналы U₁ и U₂ в цифровые коды N₁=f(U₁) и N₂=f(U₂) соответственно.

Коды N₁ и N₂ поступают в микропроцессор 8, в котором вычисляется отношение

N₃=N₁/N₂ или N₄=N₂/N₁, что однозначно соответствует N₃=f(₁)/f(₂) или N₄=f(₂)/f(₁).

Сигналы с микропроцессора 8 поступают на блок 9 формирования выходного сигнала. К блоку 9 можно подключить электронный индикатор, компьютер или самописец.

В качестве примера конкретной реализации на фиг.2 изображен опытный образец двухканального пирометра, разработанного по предложенной идее. Пирометр скомпонован в трубе 10, в переднюю часть которой встроен объектив 1, а в заднюю – разъем 11. В средней части трубы 10 расположен узел датчиков и фильтра. В полости 12 смонтирована электронная плата 13, которая включает усилители 6а, 6б, АЦП-7 и формирователь выходного сигнала 9. Элементом питания является блок 16.

В качестве приемников излучения используется кремневые фотодиоды.

Спектральная область пропускания оптического излучения для кремния лежит в области длин волн =300÷12000 нм (для пластинки толщиной 2 мм). В нашем случае фотодиод имеет пластинку кремния толщиной 0,4 мм, следовательно область пропускания оптического измерения будет несколько шире указанной.

Таким образом, фотодиод 2 одновременно выполняет функцию светофильтра. Фотодиоды 2, 3 собраны в виде пакета, между которыми имеется прослойка диэлектрика 14 толщиной 0,5 мм. Этот пакет с фотодиодами закреплен на плате 15, через которую пропущены по два проводника для каждого фотодиода.

В общем случае электрический сигнал на приемнике излучения определяется выражением

где Е – ЭДС на фотодиоде;

S_max – максимальная спектральная чувствительность;

bТ – спектральное распределение плотности энергии излучения, определяемое для «черного» тела формулой Планка;

а – относительная характеристика приемника;

А – характеризует оптическую систему пирометра.

В нашей конструкции максимальная спектральная чувствительность фотодиодов составляет 0,35 А/Вт, а фотодиода 3-0,075 А/Вт.

Таким образом максимальная спектральная чувствительность фотодиода 2 в 4,5 раза больше, чем у фотодиода 3.

В связи с этим коэффициенты усиления усилителей 6а, 6б примерно должны соответствовать указанному соотношению.

В основе методики измерения температуры лежит зависимость спектрального распределения плотности излучения в bТ объекта от температуры, определяемая для «черного» тела формулой Планка

где Т – температура, C₁=3,7413·10¹² Вт·см²,

С₂=1,436 см·град, – длина волны, мкм.

Абсолютное значение потока излучения Ф, воспринимаемое пирометром, определяется оптическими параметрами, коэффициентом А использования потока от объекта и коэффициентом спектрального пропускания системы , т.е.

При использовании в пирометре в качестве информационного параметра спектрального распределения потока излучения измеряется отношение потоков излучения в двух ограниченных различными фильтрами участках спектра:

Метод измерения отношения потоков может быть осуществлен на любых фотодиодах, вольт-амперная характеристика которых описывается законом

где J – ток через фотодиод;

J_S – ток насыщения;

J_ф – фототок короткого замыкания, пропорциональный световому потоку Ф;

U_ф – напряжения на фотоэлементе;

Z – постоянная величина, обратно пропорциональная температуре.

Если при наличии некоторого тока J-Const определить фото-ЭДС фотодиода как разницу между напряжением на фотодиоде при отсутствии потока излучения U_т и напряжением на фотодиоде при наличии потока излучения, то можно написать

где J¹=J¹¹ – токи через неосвещенный и освещенный фотодиоды.

Тогда фото-ЭДС будет:

Для двух встречно включенных фотодиодов можно добиться, чтобы

Uф₁=Uф₂.

При этом из формулы 9 получаем

Если при некотором токе J переменная составляющая напряжения равна нулю, то постоянное напряжение на участке АС будет пропорционально логарифму отношения величин световых потоков:

,

Где S₁ и S₂ – спектральные чувствительности фотодиодов.

Коэффициент представляет собой известное соотношение R·T/e,

где R – постоянная Больцмана,

е – заряд электрона,

Т – абсолютная температура.

Таким образом, зависимость Uac от температуры определяется температурным ходом коэффициентов . Коэффициент пропорционален значению абсолютной температуры Т. Величина не должна зависеть от температуры, если оба фотодиода изготовлены из одного и того же полупроводника.

Предлагаемая идея пирометра позволяет создавать портативные приборы для дистанционного измерения температуры различных объектов. Опытный образец пирометра имеет длину 200 мм и диаметр 30 мм. С его помощью можно регистрировать температуру различными приборами по выбору: индикатором, компьютером, самописцем.

Формула изобретения

Двухканальный пирометр спектрального отношения, содержащий объектив, фокусирующий изображение контролируемого тела на два фотоприемника, перед каждым из которых установлен фильтр излучения, усилители сигналов каждого фотоприемника, аналого-цифровые преобразователи, микропроцессор и индикатор температуры, отличающийся тем, что каждая пара – фильтр излучения и фотоприемник – установлена соосно оптической оси объектива, первый фотоприемник, чувствительный, например, в области длин волн 600-1200 нм, выполнен в виде фильтра, пропускающего излучение с длиной волны более, например, 800 нм, а второй фотоприемник расположен за первым так, что на него попадает излучение, прошедшее через первый фотоприемник, а перед первым фотоприемником установлен светофильтр, поглощающий излучение в видимой части спектра, например, в области длин волн =300-600 нм.

РИСУНКИ