способ измерения яркостной температуры объекта

Формула изобретения

Способ измерения яркостной температуры объекта по методу исчезающей нити путем сравнения яркости нити накала эталонной лампы пирометра и объекта, температуру которого определяют по величине тока накала после уравнивания яркости нити накала и объекта, ток накала на эталонную лампу подают только в режиме калибровки пирометра и яркость объекта регистрируют многоэлементным матричным или линейным фотоприемником, на часть фоточувствительных ячеек которого проецируют изображение нити эталонной лампы, ток накала которой в режиме калибровки изменяют по линейному закону, отличающийся тем, что в режиме калибровки в моменты приращения тока накала эталонной лампы на заданную величину нумеруют и запоминают значение тока накала и соответствующее ему значение выходного сигнала указанного фотоприемника, а в режиме измерения температуру объекта Т(u) определяют по значениям размаха выходного сигнала фотоприемника u_i и u_i+1, ближайшим к измеренному значению и соответствующим запомненным величинам тока накала, и известным для них значениям температуры Т_i и T_i+1 по формуле:

,

где .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к яркостной пирометрии, и может быть использовано в телевизионных системах на базе ПЗС-камер для дистанционного измерения температуры объектов.

Известен способ измерения яркостной температуры объекта по методу исчезающей нити путем сравнения яркости нити накала эталонной лампы пирометра и объекта, температуру которого определяют по величине тока накала после уравнивания яркости нити накала и объекта. При этом ток накала на эталонную лампу подают только в режиме калибровки пирометра и яркость объекта регистрируют многоэлементным матричным или линейным фотоприемником, на часть фоточувствительных ячеек которого проецируют изображение нити эталонной лампы, ток накала которой в режиме калибровки изменяют по линейному закону, его значения последовательно нумеруют и запоминают в моменты приращения выходного сигнала указанного фотоприемника на заданную величину, а в режиме измерения температуру объекта определяют по запомненной величине тока накала, соответствующей значению размаха выходного сигнала фотоприемника [1].

Для обеспечения высокой точности измерения температуры необходимо задание при калибровке минимально возможной величины приращения выходного сигнала фотоприемника. Это, в свою очередь, требует наличия калибровочной зависимости температуры эталонной лампы от протекающего через нее тока с соответствующими минимальными приращениями тока, поскольку при реализации рассмотренного способа приращения выходного сигнала фотоприемника при калибровке пирометра должны соответствовать известным значениям калибровочной зависимости эталонной лампы.

Недостатком данного способа, принятого за прототип, является недостаточная точность измерения яркостной температуры объекта из-за большого температурного интервала калибровки образцовых температурных ламп, используемых при калибровке пирометра, который, как правило, составляет 100°С [2].

Вследствие большого температурного интервала калибровки эталонной лампы значения температуры объекта в режиме измерения, соответствующие значениям тока эталонной лампы, промежуточным по отношению к запомненным при калибровке пирометра, становятся неопределенными, что приводит к снижению точности измерений.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерения яркостной температуры объекта.

Для решения поставленной задачи предложен способ измерения яркостной температуры объекта по методу исчезающей нити путем сравнения яркости нити накала эталонной лампы пирометра и объекта, температуру которого определяют по величине тока накала после уравнивания яркости нити накала и объекта, ток накала на эталонную лампу подают только в режиме калибровки пирометра и яркость объекта регистрируют многоэлементным матричным или линейным фотоприемником, на часть фоточувствительных ячеек которого проецируют изображение нити эталонной лампы, ток накала которой в режиме калибровки изменяют по линейному закону, при этом в режиме калибровки в моменты приращения тока накала эталонной лампы на заданную величину нумеруют и запоминают значение тока накала и соответствующее ему значение выходного сигнала указанного фотоприемника, а в режиме измерения температуру объекта Т(u) определяют по значениям размаха выходного сигнала фотоприемника u_i и u_i+1, ближайших к измеренному значению u, соответствующих запомненным величинам тока накала и известным для них значениям температуры Т_i и Т _i+1, по формуле:

,

где .

Технический результат заявляемого решения выражен в повышении точности измерения яркостной температуры объекта за счет того, что в режиме калибровки в моменты приращения тока накала эталонной лампы на заданную величину нумеруют и запоминают значение тока накала и соответствующее ему значение выходного сигнала указанного фотоприемника, а в режиме измерения яркостная температура объекта определяется на основании измеренного размаха выходного сигнала фотоприемника, при известном токе эталонной лампы и соответствующей ему температуре эталонной лампы с использованием интерполяционной формулы, основанной на предположении, что в окрестности каждого измеренного и запомненного при калибровке значения яркостной температуры изменение яркости объекта может быть описано законом Вина [3].

Поскольку в окрестности температур каждой опорной точки излучательные свойства объекта можно считать постоянными, зависимость яркостной температуры объекта от измеренного выходного сигнала фотоприемника Т _i(u) в указанной окрестности опорной точки (u_i ; Т_i) можно определить на основании закона Вина:

где _эфф - эффективная рабочая длина волны;

с₂=1,43879×10^-2 м К - вторая постоянная излучения,

Тогда в режиме измерения яркостная температура объекта Т(u) для значения выходного сигнала u фотоприемника может быть определена на основании двух ближайших по значению выходного сигнала фотоприемника запомненных в режиме калибровки опорных точек (u_i; Т_i) и (u_i+1 ; Т_i+1) путем взвешенного суммирования яркостных температур Т_i(u) и Т_i+1(u), рассчитанных по формуле (1) на основании указанных опорных точек:

где T_i(u) и Т_i+1 (u) определены в (1).

На чертеже представлено устройство для реализации способа.

На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - объект измерения (в режиме калибровки - эталонная лампа);

2 - пирометр;

3 - оптическая система пирометра;

4 - ПЗС-матрица ТВ-камеры;

5 - ТВ-камера;

6 - плата ввода видеосигнала персонального компьютера;

7 - персональный компьютер.

Способ осуществляется следующим образом.

В режиме калибровки изображение нити накала эталонной лампы 1 (см. чертеж) оптической системой 3 проецируется на фоточувствительную поверхность ПЗС-матрицы 4 ТВ-камеры 5. Соответствующий изображению нити накала эталонной лампы выходной сигнал, сформированный ТВ-камерой 5, подается на вход платы ввода видеосигнала 6 персонального компьютера 7, в котором измеряется его значение.

Ток через эталонную лампу изменяют по линейному закону, и в моменты его приращения на заданную величину измеренное значение выходного сигнала фотоприемника u_i, вместе со значением яркостной температуры Т_i нити накала эталонной лампы, определенным исходя из протекающего через нее тока на основании известной калибровочной зависимости эталонной лампы, запоминается в виде опорной точки (u_i; Т_i). Измерения проводятся для нескольких опорных точек, количество которых определяется диапазоном измеряемых яркостных температур объекта и значениями яркостной температуры эталонной лампы, приведенными в ее калибровочной зависимости.

В режиме измерения яркостной температуры изображение объекта измерения 1 проецируется оптической системой 3 на фоточувствительную поверхность ПЗС-матрицы 4 ТВ-камеры 5. Соответствующий изображению объекта выходной сигнал, сформированный ТВ-камерой 5, подается на вход платы ввода видеосигнала 6 персонального компьютера 7, в котором значение выходного сигнала u измеряется, и соответствующее ему значение яркостной температуры объекта Т(u) вычисляется по формуле (2) на основании ближайших по значению выходного сигнала фотоприемника запомненных в режиме калибровки опорных точек (u_i; Т_i) и (u_i+1 ; Т_i+1).

Источники информации

1. Патент РФ № 2099674, Кл. G01J 5/52, 1997.

2. ГОСТ 8.155-75. Лампы температурные образцовые 2-го разряда. Методы и средства поверки. М.: Изд-во стандартов, 1975. - 30 с. - прил.

3. Киренков И.И. Метрологические основы оптической пирометрии. М.: Изд-во стандартов, 1976. - 140 с.