УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1995 года по МПК G01K7/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры неконтактным способом.

Известны неконтактные измерители температуры, которые по величине оптического потока, падающего на приемник излучения, измеряют температуру объекта.

Однако в подобных устройствах возникают погрешности за счет фоновых излучений оптических фильтров.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является устройство, содержащее расположенные на одной оптической оси модулятор с синхродатчиками, оптический фильтр, приемник излучения, двигатель и блок обработки сигналов.

В подобном устройстве возникают погрешности, обусловленные влиянием температуры фильтра и модулятора, отличающейся от температуры приемника излучения, в результате чего на его выходе возникает фоновый сигнал. Учет этого сигнала путем контроля температуры и модулятора с помощью контактных термометров не исключает полностью возникающей погрешности, так как существует неравномерность температуры на их поверхности, причем термостатирование оптического блока имеет ограниченную точность и достаточно громоздко.

Задачей изобретения является создание устройства для измерения температуры, обеспечивающего повышенную точность измерения за счет исключения погрешностей потоков оптического излучения, возникающих от фоновых излучений элементов оптической системы. Исключение погрешностей производится путем учета оптических фоновых потоков в суммарном потоке, падающем на приемник излучения. Учесть фоновые помехи позволяет введение в устройство двух модуляторов с различными диафрагмами, что позволяет при их перемещении получить серию измерений, при обработке результатов которых получается система уравнений, где фоновые излучения имеют различные весовые коэффициенты, за счет чего при решении системы уравнений возможно определение истинного потока излучения от объекта измерения.

Таким образом, технический результат, заключающийся в повышении точности измерения, достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее установленные на одной оптической оси модулятор с синхродатчиками, оптический фильтр, приемник излучения, а также двигатель и блок обработки сигналов, введен второй модулятор, выполненный в виде вращающегося диска с возможностью фиксации в четырех положениях, причем на диске выполнены три диафрагмы таким образом, чтобы обеспечивалось перекрытие поля зрения приемника полностью, открывание поля зрения полностью и две различные величины частичного перекрытия поля зрения приемника, а первый модулятор выполнен с возможностью поворота относительно оптической оси с фиксацией в двух положениях и снабжен диафрагмой таким образом, чтобы обеспечивалось перекрытие или частичное открывание поля зрения приемника.

Наличие в модуляторах различных диафрагм позволяет при их перемещении получить серию измерений, в которой при одинаковой величине сигнала от объекта измерения величина фонового излучения в потоке, падающем на приемник излучения, имеет различную величину, причем степень отличия определяется геометрическими коэффициентами устройства. Это позволяет определить фоновое излучение и исключить его из итогового выходного потока, что повышает точность измерения температуры объекта.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 и 3 изображен первый модулятор, причем в положении, изображенном на фиг.2, он устанавливает на оптической оси устройства диафрагму, выделяющую излучение в угле зрения ϕ а в положении, изображенном на фиг.3, перекрывает угол зрения приемника излучения ω (угол зрения приемника изображен штриховой линией, а оптическая ось проходит через его центр); на фиг.4-7 изображен второй модулятор, причем в положении, изображенном на фиг.4, он перекрывает угол зрения приемника излучения ω в положении, изображенном на фиг.5, он устанавливает на оптической оси устройства диафрагму, выделяющую излучение в угле зрения θ в положении, изображенном на фиг.6, в угле зрения ϕ в положении, изображенном на фиг.7, в угле зрения ω
Устройство состоит (фиг. 1) из последовательно расположенных на одной оптической оси первого модулятора 1, оптического фильтра 4, второго модулятора 5, приемника 6 излучения, а также регистратора 9, двигателей 3 и 7 приводов модуляторов 1 и 5 соответственно, синхродатчиков 2 и 6 модуляторов 1 и 5 соответственно.

Сигналы о положении модуляторов 1 и 5 фиксируются синхродатчиками 2 и 6 соответственно и подаются вместе с выходным сигналом приемника 8 излучения в регистратор 9.

Оптический фильтр 4 служит для выделения сигнала в диапазоне длин волн λ₃-λ₄, двигатель 3 для перемещения модулятора 1, а двигатель 7 модулятора 5. Синхродатчики 2 и 6 служат для определения, в каком положении находятся модуляторы 1 и 5 соответственно, с целью организации обработки выходного сигнала приемника 8 излучения в регистраторе 9. Приемник излучения служит для преобразования оптического излучения в электрический сигнал, который подается в регистратор 9, где на основании выходных сигналов приемника излучения и синхродатчиков 2 и 6 производится вычисление температуры объекта.

Модулятор 1, имеющий возможность фиксации в двух положениях, обеспечивает установку на оптической оси диафрагмы, выделяющей излучение в угле зрения ϕ (фиг.2) или перекрывание угла зренияω приемника 8 излучения (фиг.3). Модулятор 5, имеющий возможность фиксации в четырех положениях, обеспечивает установку таким образом, что при совпадении центров диафрагм с оптической осью происходит выделение излучения в угле зрения ϕ (фиг.6), угле зрения ω приемника 8 (фиг.7), угле зрения θ (фиг.5), а также полное перекрытие угла зрения ω приемника 8 излучения (фиг.4) (θ < ϕ < ω).

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент модулятор 1 установлен в положении, при котором выделяется излучение в угле зрения ϕ (фиг.2), а модулятор 5 в положении (фиг.4), при котором угол зрения ω приемника 8 перекрыт. Выходной сигнал приемника 8 определяется при этом излучением второго модулятора 5 в угле зрения ω и равен
U₁ SaK, (1) где S чувствительность приемника излучения;
а геометрический коэффициент при обмене излучением модулятора 5 с приемником 8 в угле зрения ω.

K (λ)f(λ,T_к)dλ-(λ)f(λ,T_o)dλ оптический поток, падающий на приемник 8 от модулятора 5, где ε_k коэффициент излучения модулятора 5;
Т_к температура модулятора 5;
ε_o коэффициент излучения приемника 8;
Т_о температура приемника 8;
f( λ,T) функция Планка.

Этот сигнал подается на вход регистратора 9, где запоминается.

На следующем такте измерения двигатель 7 устанавливает второй модулятор 5 в положение (фиг.5), при котором выделяется излучение в угле зрения θ При этом на приемник 8 излучения падает излучение от объекта измерения в угле θ от оптического фильтра 4 в угле излучения θ от первого модулятора 1 в секторе между углами ϕ и θи второго модулятора 5- в секторе между углами ω и θ Выходной сигнал приемника 8 излучения при этом
U₂=S(PC+(a-c)K+γФ), (2) где Р геометрический коэффициент при обмене излучением приемника 8 с источником излучения в угле зрения θ
C (λ)f(λ,T_c)d(λ)f(λ,T_o)dλ оптический поток, падающий на приемник 8 от объекта измерения, где ε_c коэффициент излучения объекта измерения;
Т_с температура объекта измерения;
с геометрический коэффициент для модулятора 5, видимого под углом θ
γ- геометрический коэффициент для фильтра 4;
φ = (λ)f(λ,T_ф)d(λ)f(λ,T_o)dλ оптический поток,падающий на приемник 8 от фильтра 4, где ε_ф коэффициент излучения фильтра;
Т_ф температура фильтра.

Этот сигнал подается на вход регистратора 9, где запоминается.

На следующем такте измерения двигатель 3 устанавливает модулятор 1 в положение (фиг.3), при котором оптическая ось приемника перекрыта, а двигатель 7 устанавливает модулятор 5 в положение (фиг.6), при котором выделяется угол зрения ϕ При этом на приемник 8 излучения падает излучение от модулятора 1 в угле зрения ϕ оптического фильтра 4 в угле зрения ϕ и модулятора 5 в секторе между углами ωиϕ Выходной сигнал приемника излучения равен U₃= S((a-b)K+nM+βФ), (3) где b геометрический коэффициент для модулятора 5, видимого под углом ϕ;
M (λ)f(λ, T_M)dλ-(λ)f(λ, T_o)dλ -оптический поток, падающий на приемник 8 от модулятора 1, где ε_м коэффициент излучения модулятора 1;
Т_м температура модулятора 1;
β геометрический коэффициент для фильтра 4, видимого под углом ϕ
Этот сигнал подается на регистратор 9, где запоминается.

На следующем такте измерения двигатель 7 переводит модулятор 5 в положение (фиг. 7), при котором его диафрагма выделяет излучение в угле зрения ω При этом на приемник 8 излучения падает излучение от модулятора 1 в угле зрения ωи оптического фильтра 4 в угле зрения ω Выходной сигнал приемника излучения равен
U₄=S(mM+αФ), (4)
где m геометрический коэффициент для модулятора 1, видимого под углом ω;
α- геометрический коэффициент для фильтра 4, видимого под углом ω.

Этот сигнал подается на регистратор 9, где запоминается.

На следующем такте измерения двигатель 3 устанавливает модулятор 1 в положение (фиг.2), при котором его диафрагма выделяет излучение в угле зрения ϕ При этом на приемник 8 излучения падает поток от объекта измерения в угле зрения ϕ модулятора 1 в секторе между углами ω и ϕ и оптического фильтра 4 в угле зрения ω Выходной сигнал приемника излучения равен
U₅ S(PC + (m-k) M+ αФ), (5) где k геометрический коэффициент при обмене излучением приемника 8 с модулятором 1 в угле зрения θ
Этот сигнал подается на регистратор 9, где запоминается.

После этого проводится вычисление температуры объекта следующим образом. В результате цикла измерений получают систему из пяти уравнений (1)-(5) с пятью неизвестными С, М, К,Ф, Т_о, определив которые, можно вычислить температуру объекта Т при известных ε_c и ε_o. Полученная система уравнений является разрешимой. Так, например, при ω=10^о,ϕ=6^о,θ=1^о, диаметре приемной площадки приемника излучения 0,2 см, расстоянии между ней и модулятором 5 3 см, фильтром 4 5 см, модулятором 1 7 см определитель равен 1,81˙10^-7 см ².

В качестве регистратора 9 может быть использован микрокалькулятор "Электроника МК-64", в качестве двигателей 3 и 7 шаговые электродвигатели, синхродатчиков 2 и 6 открытые оптопары, приемника 8 излучения термоэлектрические приемники излучения.

Изобретение позволяет исключить фоновые излучения всех элементов оптической системы устройства. При этом не требуется применение термостатов, а также опорных излучателей, которые применялись для исключения фоновых излучений фильтров и модуляторов в существующих устройствах для измерения температуры. Применение этих систем затруднено ввиду их громоздкости, конструкционной сложности и ограниченной точности. Изобретение лишено перечисленных недостатков, причем позволяет исключить фоновую засветку независимо от разброса параметров элементов при изготовлении устройства. Таким образом, изобретение позволяет увеличить точность измерения температуры объектов за счет полного исключения фоновых излучений.

Сущность изобретения: устройство содержит два модулятора. Один модулятор снабжен диафрагмой и имеет возможность фиксации в двух положениях, что обеспечивает полное перекрытие или частичное открывание угла зрения приемника. Другой модулятор оснащен диском с тремя диафрагменными отверстиями, который имеет возможность поворота и фиксации в четырех положениях, что обеспечивает перекрытие поля зрения приемника полностью, открывание поля зрения полностью и две различные величины частичного перекрытия поля зрения приемника. 7 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее установленный на одной оптической оси первый модулятор с синхродатчиками, оптический фильтр, приемник излучения, двигатель и блок обработки сигналов, отличающееся тем, что первый модулятор выполнен с возможностью поворота относительно оптической оси с фиксацией в двух положениях и снабжен диафрагмой, обеспечивающей перекрытие или частичное открывание поля зрения приемника, а перед приемником излучения дополнительно установлен второй модулятор в виде диска с возможностью его поворота и фиксации в четырех положениях, причем на диске выполнены три диафрагменных отверстия, обеспечивающих перекрытие поля зрения приемника полностью, открывание поля зрения полностью и две разные величины частичного перекрытия поля зрения приемника.