устройство дистанционного бесконтактного пирометрического определения яркостной температуры

Формула изобретения

Устройство для дистанционного бесконтактного пирометрического измерения яркостной температуры, включающее объектив, узкополосный светофильтр, дымчатый светофильтр, окуляр, регулируемый источник питания и приборы, измеряющие ток и напряжение, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измеряемых температур, устройство содержит термостатированную светоизлучающую полупроводниковую гетероструктуру, спектр излучения которой совпадает со спектром пропускания узкополосного светофильтра, через который проходят излучения исследуемого объекта и гетероструктуры, при этом дымчатый светофильтр размещен непосредственно перед окуляром и ослабляет излучение как исследуемого объекта, так и излучающей гетероструктуры, а регулируемый источник питания обеспечивает ток, измеряемый амперметром, и напряжение, регистрируемое вольтметром, при этом температура исследуемого образца определяется по величине логарифма тока через излучающую гетероструктуру или по величине падения напряжения на ней при равенстве яркостей излучений исследуемого объекта и светоизлучающей гетероструктуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для дистанционного бесконтактного измерения высоких яркостных температур светящихся объектов пирометрическим методом.

Известны устройства измерения высоких температур с помощью термопар, термометров сопротивления, а также радиационными, цветовыми и яркостными пирометрами. Наиболее близким к заявляемому является оптический яркостный пирометр с «исчезающей нитью», основанный на визуальном сравнении яркости видимых излучений на фиксированной длине волны, поступающих от нити лампы накаливания (эталонный источник) и объекта, температура которого измеряется. Температура определяется по величине тока, протекающего через нить лампы или напряжения на ней. (Методы и средства оптической пирометрии. М.: Наука, 1983).

Недостаток известного устройства заключается в том, что зависимости протекающего тока или напряжения на нити эталонной лампы накаливания являются нелинейными и весьма слабыми функциями температуры, то есть недостаточно чувствительны к ее изменениям. Кроме того, диапазон измеряемых температур ограничен температурой плавления материала нити лампы. Ресурс работы лампы накаливания невелик, она чувствительна к механическим нагрузкам и содержит драгоценные металлы (обычно платину).

Техническая задача изобретения - повышение точности и расширение диапазона дистанционного бесконтактного измерения яркостной температуры.

Указанная задача достигается тем, что в пирометрическом устройстве бесконтактного дистанционного измерения яркостной температуры, включающем объектив, узкополосный светофильтр, дымчатый светофильтр, окуляр, регулируемый источник питания и приборы, измеряющие ток и напряжение, новым является то, что устройство содержит термостатированную светоизлучающую полупроводниковую гетероструктуру, спектр излучения которой совпадает со спектром пропускания узкополосного светофильтра, через который проходят излучения исследуемого объекта, и гетероструктуры, при этом дымчатый светофильтр размещен непосредственно перед окуляром и ослабляет излучение как исследуемого объекта, так и излучающей гетероструктуры, а регулируемый источник питания обеспечивает ток, измеряемый амперметром, и напряжение, регистрируемое вольтметром, при этом температура исследуемого объекта определяется по величине логарифма тока через излучающую гетероструктуру или по величине падения напряжения на ней при равенстве яркостей излучений исследуемого объекта и светоизлучающей гетероструктуры

Блок-схема устройства дана на чертеже. От исследуемого объекта 1 его тепловое излучение R_э 2 через объектив 3 поступает в точку 10, плоскости изображения исследуемого тела. В ту же точку 10, например, через оптоволоконный световод 6 подается излучение R_c от термостатированной полупроводниковой излучающей гетероструктуры 4, температура которой Т_с стабилизируется активным термостатом 5. Регулируемый источник питания 9 обеспечивает ток I, измеряемый амперметром 7, и напряжение V, регистрируемое вольтметром 8. Из точки 10 излучения R_э и R_v через узкополосный светофильтр 11, например интерференционный, нейтральный ослабляющий дымчатый светофильтр 12 с коэффициентом пропускания и окуляр 13 поступает в глаз наблюдателя (на чертеже не показан), которым производится визуальное сравнение яркостей свечения исследуемого объекта и эталонной излучающей гетероструктуры 4. Температура Т исследуемого объекта 1 определяется по величине логарифма тока I или напряжения V, при условии равенства наблюдаемых яркостей исследуемого тела 1 и эталонной излучающей гетероструктуры 4. Полоса пропускания узкополосного светофильтра 11 должна быть идентична спектру излучения гетероструктуры 4, а коэффициент пропускания нейтрального дымчатого ослабляющего светофильтра 12 должен обеспечивать максимальную чувствительность человеческого глаза к градациям яркости наблюдаемых изображений измеряемого объекта 1 и эталонной светоизлучающей гетероструктуры 4. В отличие от прототипа нейтральный ослабляющий дымчатый светофильтр в предлагаемом устройстве предназначен для иной цели: не ослаблять излучение только исследуемого объекта, поскольку яркостная температура эталонной лампы накаливания ограничена температурой плавления ее нити, а создать наилучшие условия для визуального сравнения яркостей двух источников. С этой целью нейтральный дымчатый ослабляющий светофильтр помещен непосредственно перед окуляром и ослабляет излучение как исследуемого объекта, так и излучающей гетероструктуры.

Расширение диапазона измерений яркостной температуры при использовании в качестве эталонного источника полупроводниковой светоизлучающей гетероструктуры достигается благодаря тому, что такие источники обладают значительно более высоким коэффициентом полезного действия (КПД) по сравнению с КПД ламп накаливания. Кроме того, в отличие от ламп накаливания, спектр излучения которых непрерывен и содержит все длины волн от нуля до бесконечности, вся энергия излучения полупроводниковых светоизлучающих гетероструктур сосредоточена в узкой спектральной области, что и приводит к очень высоким значениям их яркостной температуры.

Для экспериментальной проверки работоспособности и точности заявляемого устройства был изготовлен его макет на основе зрительной трубы с пятикратным увеличением и объектива 3 с диаметром 40 мм. Один конец оптоволоконного световода был вклеен оптическим клеем «Эпокси просвет 2» в корпус 4 светодиода 3Л336К на расстоянии 1±0,5 мм от излучающей гетероструктуры. Торец другого конца световода выведен в пересечение оптической оси зрительной трубы и плоскости изображения объектива зрительной трубы (точка 6 на чертеже). Перед окуляром 13 зрительной трубы был помещен интерференционный светофильтр 11, максимум пропускания которого приходится на длину волны _max=650 нм, а ширина полосы пропускания =15 нм. Для калибровки пирометра использовалась модель абсолютно черного тела (АЧТ), изготовленная из графита в виде цилиндра длиной 50 мм, диаметром 20 мм с осевой полостью диаметром 15 мм и глубиной 45 мм. Диаметр выходного отверстия АЧТ был равен 5 мм. Модель АЧТ была помещена в муфельную печь так, что ось полости совпадала с оптической осью зрительной трубы и в зрительную трубу отчетливо наблюдалось выходное отверстие АЧТ.

Были проведены измерения тока через светодиод и прямого напряжения на нем, в режиме равенства яркостей АЧТ и светодиода, в зависимости от температуры АЧТ. Температура АЧТ измерялась платиново-платинородиевой (Pt-Pt+10% Rh) термопарой, холодный конец которой был термостатирован при t₀=50°С.Для сравнения и контроля температуры АЧТ измерялась пирометром «Проминь M1». Результаты измерений сведены в таблицу. В первом столбце таблицы указан номер измерения. Во втором - температура АЧТ, измеренная Pt-Pt+10% Rh термопарой. В третьем - ток, протекающий через светодиод, в четвертом - падение напряжения на нем. В пятом - температура модели АЧТ, измеренная пирометром «Проминь M1».

№ п/п	Т АЧТ, С	I, мкА	V, B	Тпр, °С	Тv, °С	Т1, °С
1	2	3	4	5	6	7
1	818	6.754	1.431	830	817.8	818.3
2	913	13.58	1.465	898	912.4	911.7
3	960	19.04	1.48	948	956.9	955.8
4	992	25.46	1.494	1000	993.2	994.3
5	1047	37.89	1.513	1012	1046	1047
6	1058	48.6	1.517	1047	1057	1057
7	1106	59.58	1.535	1094	1107	1106
8	1156	87.52	1.553	1146	1157	1158
9	1219	136.6	1.575	1186	1218	1217
10	1240	164.9	1.583	1271	1241	1242

На основании проведенных измерений были рассчитаны методом наименьших квадратов коэффициенты для формулы определения температуры объекта:

Т_АЧТ=а+bV.

Для данного макета а=-3163°С, b=2782°С/В.

В шестом столбце таблицы приведена температура модели АЧТ, полученная путем расчета по формуле

Т_v=-3163+2782 V, °C,

где V - прямое падение напряжения в вольтах.

В седьмом столбце представлена температура модели АЧТ, рассчитанная по величине логарифма прямого тока через светодиод:

T₁=е+f ln I,

где значение е=1481°С и f=132,6°С, найдены методом наименьших квадратов с использованием данных таблицы, причем величину тока, входящего в последнюю формулу для T _I, необходимо брать в миллиамперах. Таким образом, измеренные предлагаемым устройством значения температуры модели АЧТ более близки к температуре, измеренной платино-платинородиевой термопарой, чем температура, измеренная пирометром с исчезающей нитью «Проминь M1», что и подтверждает достижение цели заявленного устройства.