СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1997 года по МПК G01J5/58 

Изобретение относится к пирометрии и может быть использовано для измерения температуры.

Известен способ измерения температуры, реализованный в пирометре частичного излучения со смещающемся спектральным диапазоном, принцип работы которого заключается в организации рабочих спектральных диапазонов с помощью спектроделителей и приемников излучения, а также уменьшения вклада в выходной сигнал пирометра приемников излучения, величина электрических сигналов которых выходит за его линейный участок. Это позволяет обеспечить кусочно-нелинейную аппроксимацию выходного сигнала пирометра от температуры.

Недостатками способа измерения температуры являются сложность его реализации и нелинейность выходного сигнала от температуры.

Известен способ определения температуры и излучательной способности в двух заданных коротковолновых диапазонах λ₁≅λ≅λ₂ и λ₃≅λ≅λ₄ термоизлучающего объекта объема V. Данный способ состоит в измерении энергии ΔE₁₂ излучаемой объектом в первом диапазоне λ₁≅λ≅λ₂, которая дает значение первого дифференциала R₁₂= ΔE₁₂/(λ₂-λ₁)V, измерении энергии ΔE₃₄, излучаемой объектом во втором диапазоне длин волн λ₃≅λ≅λ₄, которая дает значение второго дифференциала R₃₄= ΔE₃₄/(λ₄-λ₃)U, нахождении логарифмов Log_b(R₁₂) и Log_b(R₃₄) как линейных комбинаций переменных Log137 и 1/Т, где коэффициенты при этих переменных известны, и определении величин Log137 и 1/Т из указанных линейных комбинаций.

Недостатком этого способа определения температуры является сложность, связанная с вычислением логарифмов.

Наиболее близким является способ измерения цветовой температуры, реализованный в цветовых пирометрах типа "Спектропир" [1] Способ включает сбор и фокусирование излучения, выделение 2 спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом спектральном диапазоне в электрический сигнал, их усиление и формирование отношения. Предел измерения и регулирование температуры 1300-1700^oC. Основная погрешность 1% от верхнего предела.

Недостатками способа измерения температуры являются низкая точность и малый диапазон измеряемых температур.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры объектов с неизвестной излучательной способностью и расширение диапазона измеряемых температур.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения температуры объектов по их собственному излучению с неизвестной излучающей способностью, включающий сбор и фокусирование, выделение N спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом i-ом спектральном диапазоне в электрический сигнал E, их усиление и формирование отношения, до формирования отношения в электронном тракте вводят две линейные комбинации из сигналов N спектральных диапазонов при этом параметры линейных комбинаций к_1i и k_2i подбираются из условия равенства отношения первой линейной комбинации на вторую линейную комбинацию абсолютному значению измеряемой температуры

На фиг. 1 и 2 представлены схемы реализации предлагаемых способов измерения температуры при N=2 и N=3 соответственно.

Схема реализации первого варианта способа измерения температуры (фиг.1) содержит приемную оптическую систему 1, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами 2.1, 2.2, образующих два канала, три блока умножения на константу 3.1, 3.2, 3.3, два блока сложения 4.1, 4.2, блок деления 5, выходом соединенный с блоком индикации 6, причем первый выход первого фотоприемного блока 2.1 и первый выход второго фотоприемного блока 2.2 через первый блок умножения на константу 3.1 подключены к входам первого блока сложения 4.1, а второй выход первого фотоприемного блока 2.1 через второй блок умножения -на константу 3.2 и второй выход второго фотоприемного блока 2.2 через третий блок умножения на константу 3.3 подключены к входам второго блока сложения 4.2, выход которого подключен к второму входу блока деления 5, первый вход которого подключен к выходу первого блока сложения 4.1.

Схема реализации второго варианта способа измерения температуры (фиг.2) содержит приемную оптическую систему 1, образующую оптические спектральные каналы, три фотоприемных блока с демодуляторами 2.1, 2.2, 2.3, образующих три канала, пять блоков умножения на константу 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, четыре блока сложения 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, блок деления 5, выходом соединенный с блоком индикации 6, причем первый выход первого фотоприемного блока 2.1 и первый выход второго фотоприемного блока 2.2 через первый блок умножения на константу 3.1 подключены к входам первого блока сложения 4.1, а второй выход первого фотоприемного блока 2.1 через третий блок умножения на константу 3.3 и второй выход второго фотоприемного блока 2.2 через четвертый блок умножения на константу 3.4 подключены к входам второго блока сложения 4.2, выход которого и второй выход третьего блока фотоприемника с демодулятором 2.3 через пятый блок умножения на константу 3.5 подключены к входам четвертого блока сложения 4.4, выход которого подключен к второму входу блока деления 5, выход первого блока сложения 4.1 и первый выход третьего блока фотоприемнка с демодулятором 2.3 через второй блок умножения на константу 3.2 подключены к входам третьего блока сложения 4.3, выход которого подключен к первому входу блока деления 5.

В предлагаемом способе измерения температуры содержится сбор и фокусирование излучения, выделение N спектральных диапазонов, преобразования излучения в каждом i-ом спектральном диапазоне в электрический сигнал. В общем случае электрический сигнал E на приемнике излучения оптико-электронной системы определяется выражением (Поскачей А.А. Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры, М. Энергоиздат, 1988 с.22-29)

где А коэффициент, характеризующий оптическую систему;
максимальная спектральная чувствительность;
a_λ относительная характеристика приемника;
спектральное распределение плотности энергии излучения

излучательная способность объекта;
C₁=3,7413•10^-12 Вт•см²; C₂=1,4388 см•град;
λ длина волны излучения, мкм; Т температура.

Реально длина волны изменяется в ограниченных пределах, поэтому электрический сигнал на i-ом приемнике определяется выражением

По первому варианту сигнал с первого приемника 2.1 поступает на первый блок сложения 4.1 и второй блок умножения на константу 3.2, сигнал с второго приемника 2.2 поступает через первый блок умножения на константу 3.1 на первый блок сложения 4.1 и через третий блок умножения на константу 3.3 на второй блок сложения 4.2, на который поступает также сигнал с второго блока умножения на константу 3.2. Далее сигналы с первого блока сложения 4.1 и второго блока сложения 4.2 поступают на блок деления 5.

В блоках 3.1-5 реализован алгоритм согласно формуле

где U сигнал на выходе блока деления 5;
k₁₂, K₂₁, k₂₂ коэффициенты умножения блоков 3.1, 3.2, 3.3 соответственно.

Коэффициенты k₁₂, k₂₁, k₂₂ вычисляются из условия минимума интеграла
где T₁, T₂ соответственно нижний и верхний пределы измеряемых температур. Для значений параметров

диапазон измеряемых температур,

вычисления дают следующие значения коэффициентов k₁₂, k₂₁, k₂₂ значений выходной функции U (для удобства реализации способа везде далее значение сигнала U взято в 1000 раз меньше измеряемой температуры T): k₁₂=0.717, k₂₁= -0.053, k₂₂=0930 (см.табл.1).

Способ, реализованный по алгоритму (2) с выбором двух спектральных зон принимаемого излучения
позволяет измерять цветовую температуру, а при уменьшении величин Δλ₁ и Δλ₂ яркостную температуру. Варьируя выбором параметров k₁₂, k₂₁, k₂₂ в электронном тракте и выбором спектральных диапазонов Δλ₁,Δλ₂, можно проградуировать показания индикатора по эталонным источникам излучения как цветовых, так и яркостных в зависимости от практических применений. Таким образом при предложенном способе существенно расширяются функциональные возможности пирометрии. Использование длин волн в диапазоне от 1 мкм до 2 мкм позволяет точно измерять высокие температуры, например при выплавке стали, горячей прокатке, электрометаллургии т.д.

При вычисления дают следующие значения коэффициентов k и значений выходной функции U:
k₁₂=2.052, k₂₁=14.911, k₂₂=27.292 (см. табл.2).

Способ, реализованный по алгоритму (2) с выбором двух спектральных зон принимаемого излучения
позволяет измерять радиационную температуру слабонагретых тел.

По второму варианту сигнал с первого приемника 2.1 поступает на первый блок снижения 4.1 и третий блок умножения на константу 3.3, сигнал с второго приемника 2.2 поступает через первый блок умножения на константу 3.1 на первый блок сложения 4.1 и через четвертый блок умножения на константу 3.4 на второй блок сложения 4.2, на который поступает также сигнал с третьего блока умножения на константу 3.3, сигнал с третьего приемника поступает на второй блок умножения на константу 3.2 и на пятый блок умножения на константу 3.5, сигналы с выхода первого блока сложения 4.1 и после второго блока умножения на константу 3.2 поступают на входы третьего блока сложения 4.3, сигналы с выхода второго блока сложения 4.2 и после пятого блока умножения на константу 3.5 поступают на входы четвертого блока сложения 4.4. Далее сигналы с третьего блока сложения 4.3 и четвертого блока сложения 4.4 поступают на блок деления 5. В блоках 3.1-5 реализован алгоритм согласно формуле

где k₁₂, k₁₃, k₂₁, k₂₂, k₂₃ - коэффициенты умножения блоков 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 соответственно. Для значений параметров
T₁=1200, T₂=2200,

вычисления дают следующие значения коэффициентов k₁₂, k₁₃, k₂₁, k₂₂, k₂₃ и значений выходной функции U: k₁₂=7.118, k₁₃=2.943; k₂₁=-0.670; k₂₂=0.991; k₂₃=6.419
(см. табл.3).

Способ, реализованный по алгоритму (3), который является частным случаем алгоритма (1) для трех спектральных зон позволяет измерять цветовую температуру, а при уменьшении полос пропускания фильтра яркостную температуру, при этом диапазон измеряемых температур увеличивается в два раза, а точность измерения минимум в пять раз по сравнению с двухспектральным вариантом.

При вычисления дают следующие значения коэффициентов k₁₂, k₁₃, k₂₁, k₂₂, k₂₂, k₂₃ и значений выходной функции U: k₁₂=-3.778; k₁₃=-5.980; k₂₁=-0.013; k₂₂=51.011; k₂₃=-87.806 (см. табл.4.)
При вычисления дают следующие значения коэффициентов k₁₂, k₁₃, k₂₁, k₂₂, k₂₃ и значений выходной информации U: k₁₂= -3.369; k₁₃=-5.014; k₂₁=-0.895; k₂₂=49.945; k₂₃=-81.498 (см. табл.5).

Расчеты показывают, что способ измерения температуры, использующий три диапазона длин волн по сравнению со способом измерения температуры, использующим два диапазона длин волн, позволяет увеличить диапазон измеряемых температур от 2 до 5 раз, а точность измерения улучшить от 4 до 15 раз.

По аналогии можно рассмотреть способ измерения температуры, использующий четыре диапазона длин волн согласно алгоритму (1) при N=4

Увеличение количества спектральных диапазонов приводит к росту числа параметров k_1i и k_2i линейных комбинаций и соответственно к увеличению функциональных возможностей предложенного способа измерения температуры.

Таким образом, реализация предложенного способа измерения температур позволит улучшить точность и увеличить диапазон измерения температур.

Использование: для измерения температуры в пищевой промышленности, металлургии, сельском хозяйстве. Сущность: способ измерения температуры объектов по их собственному излучению с неизвестной излучающей способностью включает сбор и фокусирование излучения, выделение N спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом i-ом спектральном диапазоне в электрический сигнал, их усиление. В тракте формируют две пары линейных комбинаций из сигналов N спектральных диапазонов и формируют их отношение. Параметры линейных комбинаций подбирают из условия равенства отношения первой линейной комбинации на вторую линейную комбинацию абсолютному значению измеряемой температуры. 2 ил., 5 табл.

Способ измерения температуры, включающий сбор и фокусировку излучения, выделение N спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом i-м спектральном диапазоне в электрический сигнал E_i, в электронном тракте усиление сигналов и формирование их отношения, по которому проводят определение измеряемой температуры, отличающийся тем, что до формирования отношения формируют в тракте две линейные комбинации из сигналов N спектральных диапазонов

где k_1 i и k_2 i параметры элементов тракта, причем параметры k_1 i и k_2 i выбирают по результатам изменения абсолютной температуры эталонного излучения,
а абсолютное значение измеряемой температуры Т определяют из соотношения
е