СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G01J5/06 

Изобретение относится к технической физике в части создания способов бесконтактного измерения температуры объекта по его полному тепловому излучению и может быть использовано при тепловых испытаниях материалов, в металлургических печах, при термообработке металлических полос и труб, для температурного контроля при изготовлении микросхем и др.

Известен способ бесконтактного измерения температуры объекта, включающий измерение его полного теплового излучения с помощью радиационного пирометра, по выходному сигналу которого с учетом полного коэффициента излучения исследуемого объекта судят о его действительной температуре [1]
Недостатком способа является низкая точность измерения, обусловленная значительной погрешностью определения полного коэффициента излучения, поскольку этот коэффициент неоднозначно зависит от температуры и состояния излучающей поверхности объекта и изменяется со временем в процессе измерения.

Также известен способ бесконтактного измерения температуры объекта, являющийся наиболее близким к описываемому, содержащий два последовательных цикла операций, в каждом из которых предварительно нагревают корпус радиационного пирометра до фиксированной температуры соответственно T₁ и T₂ при T₁≠T₂, после чего на чувствительный элемент пирометра через его входное окно направляют поток излучения от исследуемого объекта, имеющего искомую температуру T, и измеряют выходной сигнал термобатареи пирометра, пропорциональный полному тепловому излучению объекта, и судят об искомой температуре объекта с учетом измеренных в обоих циклах значений, решая систему двух уравнений с двумя неизвестными T и ε где e полный коэффициент излучения исследуемого объекта [2]
В известном способе при нахождении искомой температуры коэффициент e исключается при решении уравнений и не влияет на точность измерения температуры, что значительно повышает точность измерения по сравнению с [1]
Недостатком способа является то, что в нем не исключены погрешности измерения, обусловленные теплообменом чувствительного элемента пирометра как с его корпусом, так и с оптическими элементами (например, линзой, световодом и т.п.) входного окна пирометра. Погрешность измерений известным способом недостаточна для обеспечения прецизионных измерений и достигает 20%
Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель обеспечивается тем, что в способе бесконтактного измерения температуры объекта, содержащем два последовательных цикла операций, в каждом из которых предварительно нагревают корпус радиационного пирометра до фиксированной температуры, соответственно T₁ и T₂ при T₁≠T₂, после чего на чувствительный элемент пирометра через его входное окно направляют поток излучения от исследуемого объекта, имеющего искомую температуру T, измеряют выходной сигнал термобатареи пирометра и судят об искомой температуре объекта с учетом измеренных в обоих циклах значений, согласно изобретению в каждом из указанных циклов при измерении выходного сигнала пирометра добиваются равенства этого сигнала нулю путем подачи мощности соответственно P₁ и P₂ на чувствительный элемент пирометра, после чего перекрывают поток излучения от объекта и вновь измеряют выходной сигнал пирометра, добиваясь равенства этого сигнала нулю путем подачи мощности соответственно P₁₀ и P₂₀ на чувствительный элемент пирометра, а упомянутое суждение об искомой температуре объекта осуществляют по зависимости

Анализ предложения по критериям охраноспособности показал, что авторам не известна используемая где-либо ранее совокупность отличий предложения. При этом, поскольку новизна предложения показана выше, а промышленная применимость не вызывает сомнений, по мнению авторов, предложение является охраноспособным.

На чертеже схематично представлено устройство для осуществления способа.

Устройство содержит радиационный пирометр, в корпусе 1 которого расположены чувствительный элемент 2 с термобатареей 3 и оптические элементы 4 (например, линзы, световод и т.п.) входного окна. Для нагрева корпуса 1 до фиксируемых температур могут быть использованы различные средства нагрева или охлаждения, например электрическая нагревательная обмотка 5 (как показано на чертеже, при этом источник нагрева не показан), лампа накаливания, газовая горелка, термоэлектрический холодильник, азотный или гелиевый охладитель и др. Для введения в чувствительный элемент мощностей P₁, P₂, P₁₀, P₂₀ также могут быть использованы различные средства, например электрический нагрев (как показано на чертеже без источника нагрева), термоэлектрическое охлаждение и др. Для перекрытия потока излучения от объекта 6 в пирометру могут быть использованы различные конструктивные решения, например заслонка 7, угловой поворот пирометра относительно объекта и др. При необходимости процесс измерений и обработки полученных результатов может быть автоматизирован и выведен на ЭВМ (на чертеже не показано). Для пояснения осуществления способа на чертеже в цепи нагрева элемента 2 показаны вольтметр 8 и амперметр 9. Выходной сигнал термобатареи 3 измеряют вольтметром 10.

Способ осуществляют следующим образом.

В первом цикле операций предварительно нагревают (охлаждают) корпус 1 радиационного пирометра до фиксированной температуры T₁, выбирая ее в диапазоне от минус 270^oC до +1000^oC. Выбор конкретного значения температуры T₁ обусловлен ожидаемой температурой объекта, обычно находящейся в диапазоне от минус 50^oC до +2000^oC, допустимыми рабочими температурами конструкционных материалов пирометра, а также допустимыми тепловыми нагрузками на чувствительный элемент. Значение T₁ регистрируется, например, термометром (на чертеже не показан).

После достижения корпусом 1 указанной температуры направляют поток излучения от объекта 6, имеющего искомую температуру T, на чувствительный элемент 2 пирометра через оптические элементы 4 входного окна. Измеряют, например, вольтметром 10 выходной сигнал термобатареи 3 пирометра, при этом подают мощность на чувствительный элемент 2 пирометра, добиваясь равенства нулю выходного сигнала термобатареи. В момент равенства сигнала нулю фиксируют значение поданной мощности P₁, например, по показаниям вольтметра 8 и амперметра 9. Этот цикл операций позволяет исключить составляющую погрешности измерения, вызванную теплообменом чувствительного элемента с корпусом пирометра.

Затем перекрывают поток излучения от объекта, например, заслонкой 7 и вновь измеряют выходной сигнал термобатареи пирометра, добиваясь равенства его нулю путем подачи мощности на чувствительный элемент 2. В момент равенства сигнала, например, наблюдаемого на вольтметре 10, нулю фиксируют значение поданной мощности P₁₀, например, с помощью вольтметра 8 и амперметра 9. Этот цикл операций позволяет исключить составляющую погрешности измерения, связанную с теплообменом чувствительного элемента с оптическими элементами входного окна пирометра.

В результате проведенного первого цикла операций получены данные о полном излучении объекта при одном значении температуры T₁ корпуса радиационного пирометра, которые связаны уравнением

ε полный коэффициент черноты излучения исследуемого объекта,
s постоянная Стефана-Больцмана,
F площадь поглощающей поверхности чувствительного элемента пирометра.

Затем в той же последовательности операций осуществляют второй цикл с измеряемыми параметрами T₂, P₂ и P₂₀, получая второе уравнение:

Решением системы двух уравнений (2) и (3) определяют зависимость (1), по которой и судят о величине искомой температуры T объекта. Очевидно, что реализация способа возможна при условии, когда T≠T₁ и T≠T₂.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования способа, за счет указанного исключения влияния теплообмена конструкционных элементов радиационного пирометра точность измерения температуры объекта описанным способом составила 1.2% и возросла по сравнению с прототипом в 10.20 раз.

За счет улучшенной метрологии способ найдет широкое применение при прецизионных измерениях температур.

Примеры реализации способа.

При реализации способа была использована следующая аппаратура:
радиационный пирометр типа ТЭРА с пленочной кремниевой термобатареей, расположенной по радиусу тепловоспринимающего диска из лейкосапфира, укрепленного по периферии в корпусе пирометра, и входным оптическим окном из лейкосапфира, также укрепленным по периферии в корпусе;
цифровой комбинированный прибор типа Щ300 для регистрации выходного сигнала термобатареи пирометра;
источник питания типа Б5-48 для подачи мощности на чувствительный элемент пирометра с амперметром и вольтметром на выходе;
источник питания РНО-5-250 для подачи мощности на электрическую нагревательную обмотку корпуса пирометра;
термометр типа хромель-алюмелевой термопары для измерения T₁, T₂.

С помощью указанной аппаратуры описанным способом была исследована температура теплового излучателя типа "абсолютно черное тело" с рабочими температурами от 20 до 2000^oC, а также ленты из нержавеющей стали, нагреваемой с тыльной стороны лампой накаливания типа КГМ110-1800. Диапазон изменения температуры ленты составил от 20.1500^oC. При этом контроль истинной температуры теплового излучателя обеспечивался образцовым пирометром ЭОП-61, а ленты стандартизированной хромель-алюмелевой термопарой, приваренной к тыльной стороне ленты.

Исследования показали, что отличие результатов измерений температуры теплового излучателя описанным способом с помощью образцового пирометра ЭОП-61 не превышает ±1% для серии из 10 измерений в каждой температурной точке. Для ленты из нержавеющей стали это отличие при том же количестве измерений не превысило 2%
Были проведены измерения температур тех же объектов по способу-прототипу, показавшие, что по сравнению с предлагаемым способом расхождения результатов измерений температуры объектов составили 10.12% для излучателя типа "абсолютно черное тело" и 15.19% для ленты из нержавеющей стали.

Сущность изобретения: осуществляют два последовательных цикла операций, в каждом из которых нагревают корпус радиационного пирометра до фиксированной температуры, направляют поток излучения от объекта на чувствительный элемент пирометра, на который одновременно подают мощность от независимого источника, добиваясь равенства нулю выходного сигнала пирометра. Перекрывают поток от объекта и вновь добиваются тем же приемом равенства нулю выходного сигнала пирометра. Искомую температуру объекта определяют решением системы двух уравнения, полученных по результатам двух циклов измерений. 1 ил.

Способ бесконтактного измерения температуры объекта, содержащий два последовательных цикла операций, в каждом из которых предварительно нагревают корпус радиационного пирометра до фиксированной температуры, соответственно Т₁ и Т₂, при Т₁ ≠ Т₂, после чего на чувствительный элемент пирометра через его входное окно направляют поток излучения от исследуемого объекта, имеющего искомую температуру Т, измеряют выходной сигнал термобатареи пирометра и судят об искомой температуре объекта с учетом измеренных в обоих циклах значений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в каждом из указанных циклов при измерении выходного сигнала пирометра добиваются равенства этого сигнала нулю путем подачи мощности, соответственно Р₁ и Р₂, на чувствительный элемент пирометра, после чего перекрывают поток излучения от объекта и вновь измеряют выходной сигнал пирометра, добиваясь равенства этого сигнала нулю путем подачи мощности, соответственно Р_1 0 и Р_2 0, на чувствительный элемент пирометра и определяют температуру объекта по зависимости