ЦИФРОВОЙ ПИРОМЕТР СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01J5/28 G01J5/62 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения температуры нагретых изделий, и может быть использовано при производстве проката, поковок и обечаек.

Известны оптико-электронные системы измерения температуры изделий с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала [1] содержащие логарифмические преобразователи.

Этим оптико-электронным системам присущи следующие недостатки:
ограниченная точность измерения, обусловленная зависимостью параметров полупроводниковых элементов логарифмических преобразователей от внешних температурных условий;
трудоемкость настройки и тарировки таких систем из-за невозможности управления характеристиками нелинейных полупроводниковых элементов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является оптико-электронное устройство для измерения размеров нагретых изделий [2] содержащее вибрационный сканатор, два светофильтра, фотоприемник с усилителем фототока, блок автоматической регулировки усиления (АРУ), триггер Шмитта, вход которого соединен с выходом усилителя фототока, одновибратор, соединенный с триггером Шмитта, генератор периодических сигналов специальной формы, второй триггер Шмитта, вход которого соединен с выходами двух коммутаторов, а выход соединен с управляющим входом третьего коммутатора, соединяющего генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов.

Данное измерительное устройство имеет низкий технический уровень, что обусловлено его функциональными возможностями, а именно возможностью измерять только относительную величину температурную поправку, причем с невысокой точностью. Основная погрешность измерения разности температур определяется погрешностью аппроксимации зависимости напряжения от температуры, т.к. зависимость аппроксимируется только одной функциональной зависимостью - экспоненциальной.

В этой связи важнейшей задачей является создание нового цифрового пирометра спектрального отношения, который бы осуществлял измерение с достаточной точностью и результат представлял в цифровой форме.

Техническим результатом заявленного цифрового пирометра спектрального отношения является повышение точности измерения и удобство пользования этим измерительным устройством, поскольку результат измерения отображается на цифровом табло.

Кроме того, наличие цифрового выхода у устройства позволяет использовать его в составе автоматизированных систем управления производством изделий в нагретом состоянии.

Указанный технический результат достигается тем, что цифровой пирометр спектрального отношения, содержащий вибрационный сканатор, два светофильтра, фотоприемник с усилителем фототока, блок автоматической регулировки усиления (АРУ), триггер Шмитта, вход которого соединен с выходом усилителя фототока, одновибратор, соединенный с триггером Шмитта, генератор периодических сигналов специальной формы, выполненный в виде четырехполюсника с RC-элементами, коммутатор и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, второй коммутатор и счетчик импульсов, снабжен блоком вычитания, первый вход которого подключен к выходу первого триггера Шмитта, второй вход соединен с выходом одновибратора, а выход подключен к управляющему входу коммутатора, соединяющему выход усилителя фототока с генератором сигналов специальной формы, выход которого, в свою очередь, соединен с входом второго триггера Шмитта, и двухвходовым логическим элементом И, первый вход которого подключен к выходу первого триггера Шмитта, второй вход соединен через инвертор с выходом второго триггера Шмитта, а выход элемента И соединен с управляющим входом второго коммутатора.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения температуры, поскольку в цифровом пирометре спектрального отношения предусмотрена возможность управления аппроксимацией зависимости длительности импульса от температуры изделия, и упростить схему цифрового пирометра, т.к. в нем отсутствуют преобразователи: функциональный и аналого-цифровой.

Кроме того, указанное отличие позволяет повысить надежность пирометра, поскольку из его структуры исключены блоки с невысокой надежностью.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признаком заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого решения по совокупности признаков позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уpовня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена блок-схема пирометра; на фиг.2 время-импульсная диаграмма, поясняющая работу пирометра.

Пирометр представляет собой объектив, в плоскости изображения которого установлен составной светофильтр 2, состоящий из двух светофильтров с различными полосами пропускания и линией раздела, перпендикулярной направлению сканирования. Спектральные полосы пропускания светофильтров подобраны таким образом, что при стабилизации светового потока, проходящего через один светофильтр, величина светового потока, проходящего через другой светофильтр, не превышает величину светового потока первого светофильтра во всем диапазоне температур нагретого изделия. За составным светофильтром 2 установлен сканатор, представляющий собой вибратор 3, совершающий колебания с помощью генератора 4. На свободном конце вибратора 3 закреплен фотоприемник 5, а между фотоприемником 5 и светофильтpом 2 установлена маска 6, перекрывающая зону сканирования фотоприемника 5.

К усилителю 7 фототока, соединенному с фотоприемником 5, подключен блок автоматической регулировки усиления (АРУ), состоящий из пик-детектора 8, задатчика 9, которые соединены с входами дифференциального усилителя 10, который кроме функции усиления выполняет также функцию элемента сравнения. Выход дифференциального усилителя 10 соединен с управляемым элементом усилителя фототока 7. К усилителю фототока 7 подключен первый триггер Шмитта 11, к которому, в свою очередь, подключен одновибратор 12 длительностью τ. Выход первого триггера Шмитта подключен к первому входу блока вычитания 13, а к второму входу блока вычитания 13 подключен выход одновибратора 12. Выход блока вычитания 13 подключен к управляющему входу первого коммутатора 14, соединяющему выход усилителя фототока 7 с генератором сигналов 15 специальной формы, представляющим собой четырехполюсник, выполненный на RC-элементах. К выходу генератора сигналов 15 подключен второй триггер Шмитта 16, выход которого соединен с инвертором 17. Выход первого триггера Шмитта 11 и выход инвертора 17 соединены с входами двухвходового логического элемента 18, выходом подключенного к управляющему входу второго коммутатора 19, соединяющего генератор тактовых импульсов 20 со счетчиком импульсов 21.

При работе пирометра вибратор 3 с фотоприемником 5 совершают возвратно-поступательное движение, преобразуя пространственное распределение яркости изделия во временное. Поскольку светофильтр 2 являтся составным и за ним установлена маска 6, то сигнал с выхода усилителя фототока (диаграмма на фиг.2) имеет ступенчатую форму.

Светофильтры подобраны таким образом, чтобы напряжение первой ступени в заданном интервале температур было меньше напряжения второй ступени импульса. Импульсы напряжения с усилителя фототока 7 поступают на пик-детектор 8 с временем разряда, превышающим период сканирования. Таким образом, с пик-детектора на один вход дифференциального усилителя 10 поступает постоянное напряжение, равное напряжению второй ступени импульса. На другой вход дифференциального усилителя поступает постоянное напряжение с задатчика 9, с которым сравнивается напряжение пик-детектора.

При изменении температуры изделия изменяется максимальное напряжение импульсов, поступающих на пик-детектор 8, и отклонение напряжения от заданного усиливается дифференциальным усилителем 10, который, в свою очередь, изменяет коэффициент усиления усилителя фототока 7 так, что это максимальное напряжение или напряжение второй ступени импульса U₂ остается постоянным. Напряжение первой ступени импульса U₁ определяется температурой изделия. Сигнал с усилителя фототока 7 поступает на вход триггера 11 Шмитта с порогом срабатывания U_n1, с выхода которого прямоугольные импульсы с постоянной амплитудой (диаграмма U_n, фиг.2) запускают одновибратор 12 с длительностью t. Сигналы с выхода триггера 11 Шмитта и выхода одновибратора 12 поступают на входы блока вычитания 13, выходной сигнал которого через первый коммутатор 14 на время (t-τ) к усилителю фототока 7 подключает четырехполюсник 15, выполненный на RС-элементах. На выходе четырехполюсника образуется импульс со смещенным и более пологим передним фронтом (диаграмма U₁₅, фиг.2), форма которого представляет собой переходный процесс при воздействии ступенчатой функции с напряжением U₁.

Одновибратор 12 исключает влияние на переходную функцию формы фронта импульса напряжения на выходе усилителя фототока 7, т.к. он "отрезает" с помощью блока вычитания 13 переднюю часть импульса. Сигнал с выхода четырехполюсника 15 поступает на вход второго триггера 16 Шмитта с порогом срабатывания U_n2, момент срабатывания которого определяется формой переходного процесса в четырехполюснике и величиной напряжения первой ступени импульса U₁, а следовательно, и температурой изделия. Сигнал с выхода триггера 16 Шмитта инвертируется инвертором 17 и поступает на один из входов логического элемента И 18, а на другой вход поступает сигнал триггера 11 Шмитта. На выходе логического элемента И 18 образуется прямоугольный импульс (диаграмма U₁₈ на фиг.2), длительность которого определяется разностью временных моментов срабатывания триггеров Шмитта 11 и 16, а следовательно, и величиной температуры изделия. Так, например, при уменьшении температуры изделия согласно закону Голицына-Вина максимум излучения сдвигается вправо по спектру и, хотя с уменьшением температуры поток излучения уменьшается за счет блока АРУ, который в этом случае повышает коэффициент усиления усилителя фототока, напряжение первой ступени увеличвается. При уменьшении напряжения первой ступени уменьшается и длительность импульса на выходе логического элемента И 18, которая преобразуется в цифровой код, т.к. второй коммутатор 19 на время длительности импульса подключает к счетчику импульсов 21 генератор тактовых импульсов 20.

Параметры светофильтров, длительность импульса одновибратора и структура и параметры четырехполюсника выбираются такими, чтобы зависимость длительности импульса от температуры изделия на выходе логического элемента И была близка к линейной. Выбор структуры и параметров четырехполюсника по заданной переходной функции осуществляется на основе методов синтеза электрических цепей.

Результат измерения температуры может быть непосредственно введен в ЭВМ без аналого-цифрового преобразования.

Применение данного цифрового пирометра спектрального отношения позволяет повысить точность измерения температуры изделий, изготавливаемых в нагретом состоянии, а следовательно, повысить качество выпускаемой продукции. Кроме того, пирометр имеет простую и надежную конструкцию и структуру, что позволяет изготавливать его в переносном компактном варианте, а это, в свою очередь, расширяет область его использования.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:
цифровой пирометр спектрального отношения, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в высокотемпературных технологических процессах;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами;
цифровой пирометр, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Использование: высокотемпературные технологические процессы. Сущность изобретения: цифровой пирометр спектрального отношения содержит вибратор с фотоприемником, составной светофильтр, усилитель фототока с блоком автоматической регулировки, состоящим в свою очередь из пик-детектора, задатчика и дифференциального усилителя, соединенного с управляемым элементом усилителя фототока, триггер Шмитта, соединенный с усилителем, одновибратор, соединенный с триггером Шмитта, блок вычитания, соединенный выходом с управляющим входом коммутатора, соединяющего усилитель с последовательной цепью из генератора сигналов, триггера Шмитта и инвертора, подключенного к управляющему входу коммутатора через логический элемент И, к второму входу которого подключен триггер, а коммутатор соединяет генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов. 2 ил.

1 Цифровой пирометр спектрального отношения, содержащий оптически связанные объектив, два светофильтра и фотоприемник, причем фотоприемник закреплен на вибрационном сканаторе и соединен с усилителем фототока, который подключен к блоку автоматической регулировки усиления, включающему первый триггер Шмитта, вход которого соединен с выходом усилителя фототока, одновибратор, соединенный с триггером Шмитта, генератор периодических сигналов специальной формы, выполненный в виде четырехполосника с RC-элементами, первый коммутатор и последовательно соединенные генератор токовых импульсов, второй коммутатор и счетчик импульсов, отличающийся тем, что пирометр дополнительно содержит блок вычитания, второй триггер Шмитта, инвертор и двухвходовый логический элемент И, причем первый вход блока вычитания подключен к выходу первого триггера Шмитта, второй вход соединен с выходом одновибратора, а выход блока вычитания подключен к управляющему входу первого коммутатора, соединяющему выход усилителя фототока с генератором сигналов специальной формы, выход которого соединен с входом второго триггера Шмитта, первый вход двухвходового логического элемента И подключен к выходу первого триггера Шмитта, выход второго триггера Шмитта через инвертор подключен к второму входу двухвходового логического элемента И, а выход элемента И соединен с управляющим входом второго коммутатора.