СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЯРКОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G01J5/52 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к яркостной пирометрии, и может быть использовано в пирометрических и тепловизионных системах на базе интегральных фотодиодных и ПЗС-камер.

Известен способ измерения яркостной температуры объекта, когда температуру определяют по интенсивности излучения на заданной длине волны при помощи градуировочной характеристики пирометра, получаемой путем его калибровки по эталонному излучателю типа "черного тела" /1/.

Недостатком способа является невысокая точность и необходимость проведения периодической рекалибровки пирометра ввиду отсутствия в приборе температурного эталона.

Наиболее близким к предлагаемому способу прототипом является способ измерения яркостной температуры объекта по методу исчезающей нити, когда яркость нити накала эталонной лампы пирометра сравнивают с яркостью объекта, температуру которого определяют по величине тока накала после уравнивания яркостей нити сравнения и объекта /1/.

Недостатками данного способа является появление погрешностей из-за измерения характеристик эталонной лампы во времени, при ее эксплуатации в режиме постоянного накала, требуемого для визуального уравнивания яркостей, а также низкие функциональные возможности вследствие ограничения на размер и положения объекта в поле зрения пирометра из-за необходимости пространственного перекрытия изображения эталонной нити сравнения и объекта.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения яркостной температуры объекта по методу исчезающей нити путем сравнения яркостей нити эталонной лампы пирометра и объекта, температуру которого определяют по величине тока накала после уравнивания яркостей нити накала и объекта, ток накала на эталонную лампу подают только в режиме калибровки пирометра, и яркость объекта измерения регистрируют многоэлементным матричным или линейным фотоприемником, на часть фоточувствительных ячеек которого проецируют изображение нити эталонной лампы, ток накала которой в режиме калибровки изменяют по линейному закону, его значения последовательно нумеруют и запоминают в моменты приращения выходного сигнала указанного фотоприемника на заданную величину, а в режиме измерения температуру объекта определяют по запомненной величине тока накала, соответствующего значению выходного сигнала фотодатчика яркостного пирометра.

Техническим результатом является увеличение точности определения яркостной температуры объекта и расширение технологических возможностей способа. Увеличение точности определения яркостной температуры объекта обеспечивается путем уменьшения влияния старения эталонной лампы пирометра в процессе эксплуатации за счет сокращения общего времени работы лампы, так как ток накала на нее подают только в режиме калибровки пирометра.

Расширение технологических возможностей достигается за счет того, что объект может находиться в произвольном месте оптического поля зрения пирометра, так как яркость объекта регистрируют многоэлементным матричным или линейным фотоприемником и следовательно, отпадает необходимость в пространственном перекрытии изображения нити накала эталонной лампы пирометра и объекта в процессе сравнения их яркостей.

Способ измерения температуры объекта осуществляется следующим образом. Яркость объекта измерения регистрируют многоэлементным матричным или линейным фотоприемником, на часть фоточувствительных ячеек которого проецируют изображение нити эталонной лампы, ток накала которой в режиме калибровки изменяют по линейному закону. Значения тока накала последовательно нумеруют и запоминают в моменты приращения на заданную величину выходного сигнала фотоприемника. Температуру объекта определяют при отсутствии тока накала эталонной лампы по запомненной величине тока накала, соответствующей градации текущего выходного сигнала многоэлементного матричного или линейного фотоприемника.

На приведенном чертеже изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит оптическую систему объектива 1, проецирующую изображение объекта 2 в плоскость эталонной лампы накала 3 и через окулярную оптическую систему со светофильтром 4 на фоточувствительную поверхность многоэлементного фотоприемника со встроенной схемой опроса 5, выходной сигнал которого поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6, а далее в виде цифрового кода подается на адресный вход 7 запоминающего устройства 8 и первый вход цифровой схемы сравнения 9, где второй вход соединен с выходом счетчика градаций яркости 10, на счетный вход которого подается сигнал с выхода схемы сравнения 9. Для выбора режимов измерения и калибровки служат переключатели 11 и 12 с двумя положениями 13, 14 и 15, 16 соответственно. Выход переключателя 11 соединен с входом разрешения записи или чтения 17 цифрового устройства 8. Выход переключателя 12 соединен с входом счетчика 10 и входом запуска генератора линейно изменяющегося напряжения 18, выход которого соединен через усилитель тока 19 с эталонной лампой 3 и через аналого-цифровой преобразователь 20 с входом записи данных 21 запоминающего устройства 8. Для отключения тока накала эталонной лампы в режиме измерения и отключения режима записи запоминающего устройства служит источник управляющего напряжения 22, выход которого подается на переключатели 11 и 12 в их положениях 13 и 15 соответственно. Для запуска устройства в режим калибровки служит формирователь одиночного импульса 23, выход которого соединен с входом 16 переключателя 12, а выход схемы сравнения 9 соединен с входом 14 переключателя 11. Для преобразования цифрового значения тока накала эталонной лампы в яркостную температуру служит табличный преобразователь кодов 24, соединенный с выходом чтения данных запоминающего устройства 8.

Устройство работает следующим образом. В режиме калибровки переключателя 11 и 12 находятся в положении 14 и 16 соответственно, что обеспечивает управление режимом записи запоминающего устройства 8 и подачу импульса начального "сброса-запуска" на блок счетчиков градаций 9 и генератор линейно изменяющегося напряжения 18. Нить накала эталонной лампы 3 проецируется на область фотоячеек матричного фотоприемника 5, сигнал с которого поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6, на выходе которого появляется цифровой код, соответствующий номеру градации яркости эталонной нити. При линейном законе изменения тока накала лампы 3, задаваемым генератором линейно изменяющегося напряжении 18, на выходах аналого-цифровых преобразователей 6 и 20 будут последовательно перебираться все возможные значения градаций яркости эталонной нити и значения градаций тока накала соответственно. Код на выходе преобразователя 6 определяет номер ячейки запоминающего устройства 8, в которую будет записываться значение градации тока накала с выхода преобразователя 20, которое будет соответствовать моменту увеличения градации яркости нити накала на одну единицу, что обеспечивается схемой, состоящей из счетчика градаций яркости 8 и цифровой схемы сравнения 9 следующим образом. Когда номер градации яркости эталонной нити увеличивается на единицу, схема сравнения 9 вырабатывает импульс, разрешающий запись в запоминающее устройство 8, и одновременно подает его на счетчик градаций яркости, после увеличения выходного значения которого на единицу, схема сравнения 7 переходит в исходное состояние и запрещает дальнейшую запись в запоминающее устройство 8 до следующего момента изменения градации яркости. Таким образом обеспечивается запись в запоминающее устройство значений токов накала, соответствующих последовательно изменяющейся яркости нити накала на заданную величину.

В режиме измерения переключатели 11 и 12 находятся соответственно в положениях 13 и 15, что обеспечивает подачу на вход 17 запоминающего устройства 8 сигнала от источника управляющего напряжения 22, разрешающим только чтение данных и запрещающим запись, а переключатель 12 выключает генератор линейно измеряющегося напряжения 18 и обеспечивает отключение тока накала в цепи эталонной лампы 3. Изображение объекта 2 проецируется через оптическую систему 1 и 4 на фоточувствительные ячейки фотодатчика 5, не перекрывающиеся изображением эталонной нити, и в дальнейшем сигнал фотодатчика, пропорциональный яркости объекта, поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6, на выходе которого появляется цифровой код, соответствующий номеру градации яркости объекта измерения. Этот код подается на адресный вход 7 запоминающего устройства 8 и определяет номер ячейки, где записано значение величины тока накала калибровочной лампы, при котором яркость изображения эталонной нити равна яркости измеряемого объекта.

Таким образом, происходит сравнение ярости измеряемого объекта с яркостью эталонной лампы как и при измерении яркостной температуры по методу исчезающей нити с тем отличием, что вместо реальной эталонной нити используется ее цифровой эквивалент в виде электронной таблицы яркости и соответствующих токов накала, реализованной в данном случае на базе запоминающего устройства, что обеспечивает повышение точности за счет уменьшения влияния эффекта старения эталонной лампы и продлевает ее срок службы. Далее так же, как и в методе исчезающей нити, температуру объекта определяют по току накала с помощью цифровой градуировочной таблицы, где каждой градации тока накала соответствует яркостная температура объекта, реализованной на основе табличного преобразователя кодов 24 [3]
Предлагаемое изобретение по сравнению с известными обеспечивает увеличение точности определения яркостной температуры объекта, расширение технологических возможностей, а также повышение быстродействия и расширение динамического диапазона измеряемых температур.

Литература
1. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М. Наука, 1982, с. 105.

2. Линевег Ф. Измерение температур в технике. М. Металлургия, 1980, с. 384.

3. Поскачей А.А. Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. М.6 Энергоатомиздат, 1988, с. 128.

Использование: в пирометрических и тепловизионных системах на базе интегральных фотодиодных и ПЗС - камер. Сущность изобретения: в способе измерения яркостной температуры объекта по методу исчезающей нити путем выравнивания яркостей нити накала эталонной лампы пирометра и объекта, температуру которого определяют по величине тока накала, матричным либо линейным фотоприемником регистрируют яркость объекта, изображение нити эталонной лампы проецируют на часть ячеек фотоприемника, ток накала на которую подают только в режиме калибровки и изменяют по линейному закону. Значения тока последовательно нумеруют и запоминают в моменты приращения сигнала с фотоприемника. В режиме измерения температуру объекта определяют по запомненной величине тока накала в соответствии со значением выходного сигнала фотоприемника яркостного пирометра. 1 ил.

Способ измерения яркостной температуры объекта по методу исчезающей нити путем сравнения яркости нити накала эталонной лампы пирометра и объекта, температуру которого определяют по величине тока накала после уравнивания яркостей нити накала и объекта, отличающийся тем, что ток накала на эталонную лампу подают только в режиме калибровки пирометра и яркость объекта регистрируют многоэлементным матричным или линейным фотоприемником, на часть фоточувствительных ячеек которого проецируют изображение нити эталонной лампы, ток накала которой в режиме калибровки изменяют по линейному закону, его значения последовательно нумеруют и запоминают в моменты приращения выходного сигнала указанного фотоприемника на заданную величину, а в режиме измерения температуру объекта определяют по запомненной величине тока накала, соответствующей значению выходного сигнала многоэлементного матричного или линейного фотоприемника.