ОПТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01J5/10 

Изобретение относится к энергетической фотометрии и может быть применено в качестве средства бесконтактного измерения температуры объектов в широком диапазоне.

Известно устройство для бесконтактного определения температуры объектов, содержащее входную оптическую систему, модулятор излучения, в качестве которого используется подвижное зеркало, направляющее попеременно излучение объекта и излучение сравнения на приемник излучения, окуляр и устройство обработки сигналов [1]
Недостатком указанного устройства является наличие подвижного зеркала, что увеличивает требования к взаимной настройке измерительного и визуального канала и уменьшает точность сравнения излучения объекта с образцовым излучателем.

Известен также выбранный за прототип оптический пирометр, содержащий входную оптическую систему, зеркальный с двух сторон модулятор излучения, окуляр, приемник излучения, источник опорного излучения и устройство обработки сигнала, работающий по принципу сравнения излучения объекта с образцовым излучателем [2]
Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения из-за наличия зеркального с двух сторон диска модулятора, что ухудшает качество рассматриваемого в окуляр изображения за счет уменьшения и мелькания последнего, вносит дополнительную погрешность в измерение температуры из-за неидеальности зеркального покрытия диска модулятора и дополнительно требует юстировки приемника и окуляра относительно входной оптической системы для исключения параллакса изображений.

Целью изобретения является повышение точности измерений и упрощение конструкции за счет исключения источника опорного излучения и использования в качестве него модулятора с контролируемой температурой.

Цель достигается тем, что в известном оптическом пирометре, содержащем последовательно расположенные входную оптическую систему, модулятор излучения, приемник излучения и устройство обработки сигнала, а также окуляр, между модулятором и приемником излучения дополнительно установлен зеркальный объектив, ось симметрии которого наклонена к оптической оси, модулятор излучения, по размерам совпадающий с полем зрения приемник излучения, выполнен в виде элемента с встроенным термосопротивлением и расположен на двойном фокусном расстоянии от зеркального объектива в фокальной плоскости входной оптической системы, выполненной в виде линзы с одинаковой оптической силой в видимой области спектра и в области чувствительности приемника для центральной и периферийной зон, при этом центральная зона оптически сопряжена с апертурой окуляра, а периферийная с апертурой зеркального объектива, зеркало окуляра выполнено дихроичным (отражается видимое излучение и пропускается инфракрасное), совмещено с входным окном приемника и расположено в фокальной плоскости окуляра на двойном фокусном расстоянии от зеркального объектива.

Автором не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками изобретения, а также не выявлено влияние отличительных от прототипа существенных признаков на достижение технического результата, явным образом вытекающее из известного уровня техники, т.е. предложенное техническое решение удовлетворяет критериям новизны и изобретательского уровня.

Сущность изобретения заключается в исключении промежуточного отражения излучения сравнения от зеркальной поверхности модулятора за счет использования модулятора в качестве опорного излучателя с контролируемой температурой, что позволяет повысить точность измерений и упростить конструкцию.

На чертеже показана функциональная схема оптического пирометра.

Пирометр содержит последовательно расположенные входную оптическую систему 1, состоящую из центральной и периферийной зон, модулятор 2 излучения, выполненный, например, в виде лопасти, в которую впаяно термосопротивление, зеркальный объектив 3, ось симметрии которого наклонена к оптической оси, приемник 4 излучения и блок 5 обработки сигнала. Элементы 1-5 образуют измерительный канал оптического пирометра.

В плоскости чувствительной площадки приемника 4 установлено дихроичное зеркало 6 окуляра 7, отражающее видимое и пропускающее инфракрасное излучение. Зеркало 6 окуляра 7 и собственно окуляр 7 образуют визуальный канал пирометра.

Оптический пирометр работает следующим образом.

Тепловое излучение объекта измерения фокусируется входной оптической системой 1 и направляется на модулятор 2 излучения. После модулятора 2 излучение зеркальным объективом 3 направляется на приемник 4 инфракрасного излучения. Приемник 4 преобразовывает попадающую не него энергию излучения в сигнал, который обрабатывается электронным блоком 5. Пирометр работает по принципу сравнения излучения объекта с попеременно направляемым на приемник излучением модулятора, температура которого контролируется встроенным в него термосопротивлением. Блок 5 обработки сигнала усиливает полученную разницу сигналов, компенсирует сигнал от излучения модулятора, линеаризирует компенсированное значение сигнала и индицирует на световом табло в виде значений абсолютной температуры. Размер чувствительной площадки приемника 4 и фокусное расстояние входной оптической системы 1 определяют пространственное разрешение измерительного канала пирометра, то есть диаметр измеряемого пятна на объекте измерения и расстояние до объекта измерения, поскольку зеркальный объектив 3 проецирует изображение модулятора 2 в плоскость чувствительной площадки приемника 4 с единичным увеличением. Зеркало 6 окуляра 7 направляет излучение объекта и окружающего фона в окуляр 7, в котором они могут наблюдаться оператором. Пространственное разрешение визуального канала пирометра делается примерно в 10 раз меньшим, чем в измерительном канале, и обеспечивает возможность наблюдения оператором не только объекта и модулятора 2, но и окружающего фона. Для того, чтобы поле зрения измерительного канала пирометра не перекрывалось телом приемника 4 излучения, зеркальный объектив 3 установлен под углом к оптической оси пирометра. Параметры зеркального объектива 3 и угол к оптической оси выбираются такими, чтобы апертура оптической системы была согласована с апертурой зеркального объектива; предмет и формируемое объективом изображение не пересекались между собой; аберрация астигматизма зеркального объектива 3 при его наклоне не превышала сферических аберраций (что обеспечивается при угле наклона, не превышающем 6^о).

Различие коэффициентов преломления входной оптической системы 1 для видимой части спектра и инфракрасной области чувствительности приемника приводит к различному положению фокальных плоскостей входной оптической системы в указанных диапазонах спектра. Для исключения этого эффекта входная оптическая система 1 выполняется в виде линзы с одинаковой оптической силой в видимой части спектра в области чувствительности приемника 4 для центральной и периферийной зон, при этом центральная зона оптически сопряжена с апертурой окуляра 7, а периферийная с апертурой зеркального объектива 3. Входная оптическая система 1 может быть выполнена состоящей, например, из двух элементов. В качестве приемника излучения 4 может быть использован любой приемник, область чувствительности которого соответствует спектральному диапазону излучения объекта измерений. В качестве блока 5 обработки сигнала используют традиционные блоки (см. например, [1]
Таким образом, за счет исключения источника опорного излучения и, следовательно, промежуточного отражения излучения сравнения, возможно повышение точности измерений и упрощение конструкции оптического пирометра.

Использование: изобретение относится к энергетической фотометрии и может быть применено в качестве средства бесконтактного измерения температуры объектов в широком диапазоне. Сущность изобретения: оптический пирометр содержит последовательно расположенные входную оптическую систему, модулятор излучения, приемник излучения и устройство обработки сигнала, а также окуляр. Между модулятором, выполненным в виде элемента с встроенным термосопротивлением, и приемником излучения дополнительно введен зеркальный объектив, ось симметрии которого наклонена к оптической оси. Модулятор излучения по размерам совпадает с полем зрения приемника излучения и расположен на двойном фокусном расстоянии от зеркального объектива в фокальной плоскости входной оптической системы, которая выполнена в виде линзы с одинаковой оптической силой в видимой части спектра и в области чувствительности приемника для центральной и периферийной зон. Центральная зона линзы оптически сопряжена с апертурой окуляра, а периферийная с апертурой зеркального объектива. Зеркало окуляра выполнено дихроичным, совмещено с входным окном приемника и расположено в фокальной плоскости окуляра на двойном фокусном расстоянии от зеркального объектива. Благодаря исключению источника опорного излучения и использованию в качестве него модулятора с контролируемой температурой, повышается точность измерений и упрощается конструкция. 1 ил.

ОПТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР, содержащий последовательно расположенные входную оптическую систему, модулятор излучения, приемник излучения и устройство обработки сигнала, а также окуляр, отличающийся тем, что между модулятором и приемником излучения дополнительно установлен зеркальный объектив, ось симметрии которого наклонена к оптической оси входной системы, модулятор излучения, по размерам совпадающий с полем зрения приемника излучения, выполнен в виде элемента с встроенным термосопротивлением и расположен на двойном фокусном расстоянии от зеркального объектива в фокальной плоскости входной оптической системы, выполненной в виде линзы с одинаковой оптической силой в видимой части спектра и в области чувствительности приемника для центральной и периферийной зон, при этом центральная зона оптически сопряжена с апертурой окуляра, а периферийная с апертурой зеркального объектива, зеркало окуляра выполнено дихроичным, совмещено с входным окном приемника и расположено в фокальной плоскости окуляра на двойном фокусном расстоянии от зеркального объектива.