СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1996 года по МПК G01J5/60 

Изобретение относится к радиационной пирометрии, а именно к способам бесконтактного измерения температуры с использованием излучения, испускаемого нагретым телом в видимом и инфракрасном диапазонах, и может быть использовано в пирометрах спектрального отношения с цифровыми и аналоговыми выходами.

Для совершенно черного тела процесс излучения описывается законом Планка

где C₁ 3,7•10^-12 [Вт•cм²]
C₂ 1,43 [cм•град]
Е интенсивность излучения на длине волны [Вт/см³]
λ; длина волны [cм]
е 2,718;
Т абсолютная температура [K]
Для несовершенно черного (серого) тела введено понятие излучательной способности e_l, которая учитывает уменьшение излучения реального тела на каждой длине волны

В диапазоне температур и длин волн, удовлетворяющих условию Т < 30 [см•k] это уравнение с точностью не ниже 1 может быть записано в виде приближения Планка-Вина

Cуществуют два основных способа измерения действительной температуры (Т) нагретого тела, которые позволяют учесть эффект неполного излучения, один из которых основан на использовании априорно известного значения излучательной способности и измерении излучения на одной длине волны (монохроматический); другой на измерении излучения в двух длинах волн при условии, что для них известно отношение излучательной способности (метод спектральных отношений) [1 и 2]
Известны несколько способов определения значений измеряемой температуры в соответствии с формулой Планка-Вина: способ линейно-кусочной q aппроксимации, аппроксимации с помощью степенных полиномов [3] а также вычисление измеряемой температуры в цифровой форме с использованием устройств типа ПЗУ, ЭВМ [4]
Основными недостатками таких способов измерения температуры являются ограничения в диапазоне измеряемых температур, недостаточно высокая точность измерения и сложность вычисления температуры.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения температуры с помощью пирометра, основанный на образовании интервалов времени, длительность которых определяется отношением используемых длин волн и отношением спектральных коэффициентов пропускания на этих длинах волн, смежных и чередующихся с интервалами времени, полученными в результате преобразования логарифма отношения напряжений, формирования импульсов, соответствующих указанным интервалам времени, и подсчете количества импульсов за фиксированный промежуток времени [5]
Недостатком этого способа является низкое быстродействие, обусловленное большой длительностью интервала времени, необходимо для подсчета импульсов, число которых пропорционально измеряемой температуре.

Задача изобретения создание высокоэффективного способа измерения температуры, свободного от недостатков, присущих прототипу.

Технический результат изобретения состоит в расширении функциональных возможностей способа при повышении быстродействия и расширении диапазона измеряемых температур.

Это достигается тем, что в способе бесконтактного измерения температуры с помощью пирометра, включающем измерение параметра, пропорционального энергии монохроматического излучения на двух длинах волн, преобразование логарифма отношения измеренных величин в интервалы времени, формирование импульсов, соответствующих указанным интервалам и определение количества импульсов в этих интервалах, по которым судят о значении измеряемой температуры, в качестве измеряемого параметра выбирают ток, задают значения коэффициентов аппроксимации А и В зависимости логарифма отношения токов от величины, обратной величине температуры эталона, и поправочного коэффициента D на отношение значений излучательной способности исследуемого объекта на двух длинах волн, затем формируют напряжение U, численное значение которого выбирают с учетом этих коэффициентов из выражения

где I₁ ток, пропорциональный энергии монохроматического излучения на одной длине волны, А;
I₂ ток, пропорциональный энергии монохроматического излучения на другой длине волны, А;
А безразмерный коэффициент аппроксимации;
B коэффициент аппроксимации, В;
D поправочный коэффициент, В;
K₁ коэффициент размерности, численно равный единице, В,
а временной интервал, обратно пропорциональный заданному напряжению, заполняют сформированными импульсами фиксированной длительности, суммируют число временных интервалов и определяют общее количество импульсов, а по среднему значению количества импульсов судят о температуре объекта измерения.

Cущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен график процесса образования временных интервалов определенной длительности Δt и заполнение фиксированного их числа n импульсами фиксированной длительности τ.
Величина временного интервала Δt обратно пропорциональна напряжению, которое равно логарифму отношений токов I₁ и I₂, пропорциональных энергии монохроматического излучения тела в двух длинах волн взятому с учетом коэффициентов аппроксимации А, В и поправочного коэффициента D

где А и В постоянные коэффициенты, вводимые при калибровке прибора, например, в виде цифрового кода;
D поправка на отношение излучательной способности нагретого тела в двух длинах волн, задаваемая оператором при измерении действительной температуры Т;
K₁ коэффициент размерности, численно равный единице, В;
K₂ коэффициент размерности, численно равный единице, B•c.

Число импульсов за интервал времени Δt₁ равно

Cравнивая полученную зависимость с преобразованием формулы Планка-Вина для действительной температуры T_∂ с учетом излучения в двух длинах волн λ₁ и λ₂

где эффективная длина волны пирометра, а также учитывая, что

можно убедиться, что при

где K_o коэффициент размерности, численно равный единице [1/град]
число импульсов за интервал времени Δt равно
N₁=K_oT_∂
Таким образом, по количеству импульсов фиксированной длительности за интервал времени Δt₁ можно судить о значении действительной температуры во всем диапазоне измерения.

Как видно из графика, в момент окончания интервала времени Δt₁ начинается процесс формирования временного интервала Δt₂ затем Δt₃ и т. д. и описанный процесс продолжается непрерывно.

Дли измерения действительной температуры определенное число временных интервалов Δt cуммируется, подсчитывается общее количество импульсов фиксированной длительности за полученный временной интервал ΔT и делится на число временных интервалов. Описанная операция равносильна цифровой фильтрации результата измерения температуры.

В известном способе время одного измерения действительной температуры складывается из N циклов (N численно равно измеряемой температуре) преобразования логарифма отношения напряжений во временной интервал, тогда как в предлагаемом способе оно равно только одному или, с учетом усреднения, нескольким циклам преобразования напряжения во временной интервал.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет значительно ускорить процесс измерения действительной температуры объекта.

Использование предлагаемого способа обеспечивает следующие преимущества:
возможность измерения действительной температуры в пределах 870 2400К с погрешностью 2 в пределах 850 5000К с точностью 4 при разрешающей способности в 1К;
повышение быстродействия измерения на 2 3 порядка по сравнению со способом-прототипом;
формирование нескольких типов выходных сигналов (аналоговых и цифровых), оптимальных по точности и быстродействию для индикации и регулирования.

Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения, не требует применения структур типа ЭВМ и высокодифференцированной элементной базы.

Использование: радиационная пирометрия. Сущность изобретения: способ основан на преобразовании в интервал времени логарифма отношения токов, пропорциональных энергии монохроматического излучения в двух длинах волн. 1 ил.

Способ бесконтактного измерения температуры с помощью пирометра, включающий измерение параметра, пропорционального энергии монохроматического излучения на двух длинах волн, преобразование логарифма отношения измеренных величин в интервалы времени, формирование импульсов, соответствующих указанным интервалам, и определение количества импульсов в этих интервалах, по которым судят о значении измеряемой температуры, отличающийся тем, что в качестве измеряемого параметра выбирают ток, задают значения коэффициентов аппроксимации А и В зависимости логарифма отношения токов от величины, обратной величине температуры эталона, и поправочного коэффициента D на отношение значений излучательной способности объекта измерений в двух длинах волн, затем формируют напряжение U, численное значение которого выбирают с учетом этих коэффициентов из выражения
U=A(K₁ln I₁/I₂+B+D), B,
где I₁ ток, пропорциональный энергии монохроматического излучения на одной длине волны, A;
I₂ ток, пропорциональный энергии монохроматического излучения на другой длине волны, A;
A безразмерный коэффициент аппроксимации;
B коэффициент аппроксимации, B;
D поправочный коэффициент B;
K₁ коэффициент размерности, численно равный единице, B,
а временной интервал, обратно пропорциональный заданному напряжению, заполняют сформированными импульсами фиксированной длительности, суммируют число временных интервалов и определяют общее количество импульсов, а по среднему значению количества импульсов судят о температуре объекта измерения.