двухканальный пирометр спектрального отношения

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.

Описание изобретения к патенту

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;

b Т - 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 b Т объекта от температуры, определяемая для «черного» тела формулой Планка

где Т - температура, C₁=3,7413·10 ¹² 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.