ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПИРОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01J5/60 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к бесконтактному измерению температуры объектов, и может быть использовано в ряде промышленных производств и при решении научно-исследовательских задач, связанных с физикой твердого тела.

Известны пирометры спектрального отношения, основанные на принципе преобразования сигналов, пропорциональных излучению объекта в двух длинах волн, в соответствии с формулой Планка-Вина [1, 2]
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является пирометр, содержащий модулятор светового потока, приемник излучения, блок синхроимпульсов, усилитель, два амплитудных детектора с ключами, преобразователь логарифма отношений напряжений, выделенных амплитудными детекторами в интервал времени, логарифмический преобразователь которого состоит из ключа, схемы совпадения, RC-цепи, триггера, блока задания временных интервалов и измерителя частоты, преобразующего временные интервалы в цифровой код [3]
Недостатком данного устройства является недостаточно высокая временная и температурная стабильность выходной шкалы, что обусловлено использованием в составе логарифмического преобразователя RC-цепи, а также низкое быстродействие, что определяется большой длительностью интервала времени, необходимого для подсчета импульсов, число которых пропорционально измеряемой температуре.

Цель изобретения повышение точности и быстродействия измерения температуры.

Цель достигается тем, что в пирометр, содержащий оптически связанные оптическую систему и приемник излучения, логарифмический усилитель и блок индикации, дополнительно введены блок калибровки, дельта-сигма преобразователь, делители, схемы совпадения и генератор тактовых импульсов, причем блок калибровки выполнен в виде сумматора напряжения, входы которого соединены с цифроаналоговым преобразователем калибровочного коэффициента и функциональным преобразователем отношения значений излучательной способности объекта измерения в двух длинах волн, а выход с аналоговым входом перемножающего цифроаналогового преобразователя второго калибровочного коэффициента, вход блока калибровки соединен с выходом логарифмического усилителя отношения токов, а выход с аналоговым входом дельта-сигма преобразователя, частотный выход которого подключен к входам двух параллельно соединенных делителей, их выходы соединены с входами схем совпадения соответственно, при этом выход одной схемы совпадения связан с входом блока индикации, а выход другой с интерфейсом ЭВМ, выход генератора тактовых импульсов соединен с выходами схем совпадения и дельта-сигма преобразователем.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Пирометр содержит оптическую систему 1, приемники 2 и 3 излучения, логарифмический усилитель 4 отношения сигналов, блок 5 калибровки, состоящий из цифроаналогового преобразователя 6 калибровочного коэффициента, сумматора 7 напряжения, функционального преобразователя 8 отношения значений излучательной способности объекта измерения в двух длинах волн и перемножающего цифроаналогового преобразователя 9 второго калибровочного коэффициента, дельта-сигма преобразователь 10, делители 11 и 12, генератор 13 тактовых импульсов, схемы 14 и 15 совпадения, четырехразрядный десятичный индикатор 16, интерфейс 17 для связи с ЭВМ.

Принцип действия пирометра основан на поэтапном аналоговом и цифровом вычислении преобразования формулы Планка-Вина для действительной температуры с учетом излучения на двух длинах волн и на использовании оптимальных для каждого этапа характеристик сигнала: ток, напряжение, период, число импульсов, цифровой код, а также введении в блок 5 калибровки коэффициентов A и В аппроксимации зависимости логарифма отношения токов от величины, обратной величине температуры эталона, и задании поправки D на отношение значений излучательной способности объекта измерения в двух длинах волн.

Пирометр работает следующим образом.

Поток излучения от объекта, несущий информацию о его температуре, с помощью оптической системы 1 фокусируется и разделяется на два потока, пропорциональных монохроматическим интенсивностям излучения объекта Е (Т, λ₁, ε₁), Е (Т, λ₂, ε₂) в двух длинах волн λ₁ и λ₂, которые затем фотодатчиками 2 и 3 преобразуются в токи I₁ и I₂. После усиления и преобразования токов I₁ и I₂ в логарифмическом усилителе 4 отношения токов сигнал в виде постоянного напряжения поступает в блок 5 калибровочных коэффициентов, в котором вычисляется линейная часть преобразования формулы Планка-Вина:
U A(K₁LN I₁/I₂ + B + D), где A и В коэффициенты аппроксимации зависимости логарифма отношения токов от величины, обратной величине температуры эталона. Конкретные значения коэффициентов A и В определяются однократно при калибровке пирометра по температурному эталону на множестве точек, принадлежащих разным участкам температурной кривой, результаты измерения в виде десятиразрядного двоичного кода с помощью микропереключателей вводятся в блок 5 калибровки пирометра;
К₁ коэффициент размерности, численно равный 1 (В);
D поправка на отношение значений излучательной способности объекта измерения в двух длинах волн.

Для вычисления напряжения U на первый вход сумматора 7 подается сигнал с логарифмического усилителя 4 отношения токов, на второй вход поступает калибровочный коэффициент в виде напряжения, которое задается с помощью микропереключателя в виде десятиразрядного двоичного кода, преобразованного в аналоговую форму с помощью вспомогательного цифроаналогового преобразователя 6. Через функциональный преобразователь 8 на третий вход сумматора 7 подается поправка на отношение значений излучательной способности объекта измерения в двух длинах волн D, которая задается оператором с помощью переключателя. Полученное на выходе сумматора напряжение подается на аналоговый вход перемножающего цифроаналогового преобразователя 9, на цифровой вход которого подается второй калибровочный коэффициент A, который задается с помощью другого микропереключателя. На выходе перемножающего цифроаналогового преобразователя 9 формируется напряжение U, пропорциональное величине, обратной температуре объекта измерения.

Для выполнения операции деления, необходимой для вычисления действительной температуры в соответствии с преобразованием формула Планка-Вина, сигнал в виде напряжения U подается на вход дельта-сигма преобразователя 10, работающего по принципу двойного интегрирования в режиме преобразователя напряжение-частота, на выходе которого формируется напряжение прямоугольной формы с частотой, прямо пропорциональной напряжению U, период которого равен
Δt K₂/U, где К₂ коэффициент размерности, численно равный единице (В ˙ с).

Для формирования разных информационных потоков, например индикации, напряжение прямоугольной формы с периодом Δt подается на делитель 11, обеспечивающий суммирование 32 периодов:
ΔT₁ 32 Δt.

Суммарный период ΔТ₁ подается затем на схему 14 совпадения, с помощью которой осуществляется его заполнение импульсами фиксированной длительности τ, поступающими с генератора 13 тактовых импульсов. На выходе схемы 14 совпадения образуются пачки импульсов длительностью ΔТ₁, заполненные импульсами фиксированной длительности τ.

Количество импульсов в пачке равно
N₁ 32 Δt/τ
Затем полученные пачки импульсов поступают на индикатор 16, где подсчитывается число импульсов в пачке и результат подсчета выводится на четырехразрядный десятичный индикатор.

Таким образом, выходной сигнал пирометра (показания цифрового индикатора) определяется выражением
N₁ 32 Δt/τ 1/K₃A(K₁LN I₁/I₂ + B + D), где К₃ τ/32K (1/B).

Следовательно, при заданных калибровочных коэффициентах A и В и введенной поправке на отношение значений излучательной способности объекта измерения в двух длинах волн D показания цифрового индикатора равны измеренной действительной температуре во всей рабочей шкале пирометра.

Суммирование аналоговых отсчетов дельта-сигма преобразователя с помощью делителя 11 и подсчет среднего числа импульсов за суммарный период эквивалентны цифровой фильтрации результата измерения температуры. Таким образом, перед выводом на цифровой индикатор измеряемая температура подвергается 32-кратному усреднению, что существенно повышает точность измерения в канале индикации.

При работе с ЭВМ сигнал в тракте: счетчик 12, схема 15 совпадения, интерфейс 17 подвергается лишь 2-кратному усреднению, что позволяет при некоторой потере точности сохранить высокое быстродействие в канале регулирования.

Таким образом, в предлагаемом пирометре измерение действительной температуры производится точнее, чем в известном, так как введение в блок 5 калибровки коэффициентов A и В аппроксимации позволяет с помощью полинома первого порядка скомпенсировать погрешности логарифмического усилителя 4 отношения сигналов и погрешности предшествующего ему электронно-оптического тракта.

Кроме того, в устройстве-прототипе время одного измерения температуры составляет несколько секунд, что необходимо для подсчета сотен и тысяч циклов вычисления логарифма отношения напряжений.

В предлагаемом пирометре вычисление кода температуры выполняется за один период работы дельта-сигма преобразователя (несколько миллисекунд), что значительно превышает быстродействие устройства-прототипа.

Использование предлагаемого устройства обеспечивает по сравнению с известными пирометрами повышение точности измерения температуры, увеличение на порядок быстродействие при расширении диапазона измеряемых температур (850-5000 К), а также возможность одновременно формировать информационные потоки индикации и регулирования.

Использование в пирометрах спектрального отношения с обеспечением повышения точности и быстродействия измерения температуры. Сущность изобретения: пирометр содержит оптическую систему, два приемника излучения, логарифмический усилитель отношения сигналов, цифроаналоговый преобразователь калибровочного коэффициента, функциональный преобразователь, сумматор напряжения, перемножающий цифроаналоговый преобразователь, две схемы совпадения, генератор тактовых импульсов, индикатор и интерфейс для связи с ЭВМ. 1 ил.

ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПИРОМЕТР, содержащий оптически связанные оптическую систему и приемник излучения, логарифмический усилитель и блок индикации, отличающийся тем, что в него введены блок калибровки, дельта - сигма-преобразователь, делители, схема совпадения и генератор тактовых импульсов, причем блок калибровки выполнен в виде сумматора напряжения, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами цифроаналогового преобразователя калибровочного коэффициента и функционального преобразователя отношения значений излучательной способности объекта измерения в двух длинах волн, а выход с аналоговым входом перемножающего цифроаналогового преобразователя второго калибровочного коэффициента, вход блока калибровки, являющийся третьим входом сумматора напряжения, соединен с выходом логарифмического усилителя отношения токов, а выход, являющийся выходом перемножающего цифроаналогового преобразователя, с аналоговым входом дельта сигма-преобразователя, частотный выход которого подключен к входам первого и второго делителей, выходы которых соединены с первыми входами схем совпадения соответственно, при этом выход первой и второй схем совпадения связаны соответственно с входом блока индикации и интерфейсом ЭВМ, выход генератора тактовых импульсов соединен с вторыми входами первой и второй схем совпадения и дельта сигма-преобразователя.