ЦИФРОВОЙ ПИРОМЕТР СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01J5/10 G01B21/00 

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

Известны оптико-электронные системы измерения температуры изделий с модуляцией потока излучения от нагретого изделия (Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. М.: Энергия, 1979, 88), содержащие логарифмические преобразователи, выполненные на базе полупроводниковых элементов - биполярных транзисторов. Этим оптикоэлектронным элементам присущи следующие недостатки:
1) ограниченная точность измерения температуры изделий из-за зависимости параметров полупроводниковых элементов логарифмических преобразователей от внешних температурных условий;
2) 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 (авт. св. СССР N 1711002, кл. G 01 B 21/00, 1992), содержащее вибрационный сканатор, два светофильтра, фотоприемник с усилителем фототока, блок автоматической регулировки усиления (АРУ), триггер Шмитта, выход 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-ключа, соединяющего генератор тактовых импульсом со счетчиков импульсов.

Данное измерительное устройство имеет низкий технический уровень, что обусловлено его ограниченными функциональными возможностями, а именно возможностью измерять только линейную величину-температурную поправку, причем с невысокой точностью. Основная составляющая погрешности измерения температуры определяется погрешностью аппроксимации зависимости напряжения на выходе усилителя фототока от температуры, так как зависимость аппроксимируется только одной функцией - экспоненциальной. Кроме того, при преобразовании аналогового сигнала в цифровой код возникает погрешность момента срабатывания компаратора триггера Шмитта из-за нестабильности параметров интегрирующей RC-цепи.

Важнейший задачей является создание цифрового пирометра спектрального отношения, который бы осуществлял измерение температуры с достаточной точностью и результат представлял в цифровой форме.

Техническим результатом заявленного цифрового пирометра спектрального отношения является повышение точности измерения и удобства пользования этим измерительным устройством, поскольку результат измерения представляется в цифровом коде. Наличие цифрового выхода у измерительного устройства позволяет использовать его в составе автоматизированных систем управления высокотемпературными технологическими процессами в различных отраслях промышленности.

Указанный технический результат достигается тем, что цифровой пирометр спектрального отношения, содержащий два светофильтра, фильтра, выполненные с различными полосами пропускания во всем диапазоне температур нагретого изделия, вибрационный сканатор с фотоприемником, расположенный за светофильтрами с направлением сканирования, перпендикулярным линии раздела светофильтров, усилитель фототока, вход которого подключен к выходу фотоприемника, два коммутатора, интегратор, пик-детектор, компаратор, выполненный в виде триггера Шмитта, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, ключ и счетчик импульсов, - снабжен делителем частоты, подключенным входом к генератору тактовых импульсов, а выходом - ко входу сканатора, дополнительным пик-детектором с инверсным выходом, и триггером, при этом первый коммутатор включен между выходом усилителя фототока и входами пик-детекторов, а второй коммутатор - между выходами пик-детекторов и входом интегратора, управляющие входы коммутаторов и один из входов триггера соединены с выходом делителя частоты, вход компаратора подключен к выходу интегратора, а выход - к другому входу триггера, соединенного выходом с управляющим входом ключа.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения температуры, поскольку в цифровом пирометре спектрального отношения использован принцип работы аналого-цифрового преобразователя с двухтактным интегрированием, который в сравнении с развертывающим время-импульсным преобразователем имеет значительно меньшую погрешность преобразования, обусловленную нестабильностью параметров развертывающего элемента и частоты генератора тактовых импульсов.

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

Пирометр представляет собой объектив 1, 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 световой поток, проходящий через один светофильтр, больше светового потока, проходящего через другой светофильтр, во всем диапазоне температур нагретого изделия. За составным светофильтром 2 закреплен фотоприемник 3 на сканаторе, представляющим собой вибратор с электромагнитной системой 4. Вибратор 4 совершает колебания с помощью электромагнитной системы, к которой подключен генератор тактовых импульсов 5 через делитель частоты 6.

К усилителю фототока 7, соединенному с фотоприемником 3, подключены через первый коммутатор 8 первый пик-детектор 9 и второй пик-детектор 10, а к выходу второго пик-детектора 10 подключен инвертор 11. Выходы первого пик-детектора 9 и инвертора 11 подключен через второй коммутатор 12 к интегратору 13, выполненному на операционном усилителе. Управляющие входы коммутаторов 8 и 12 соединены с выходом делителя частоты 6. К выходу интегратора 13 подключен компаратор 14. представляющий собой триггер Шмитта с нулевым порогом срабатывания, выход которого соединен с одним из входов триггера 15, второй вход которого соединен с выходом делителя частоты 6. Триггер 15 срабатывает от срезов импульсов, поступающих на его входы. Выход триггера 15 в свою очередь подключен к управляющему входу ключа 16, соединяющего генератор тактовых импульсов 5 со счетчиком импульсов 17.

При работе пирометра сигнал с генератора тактовых импульсов 5 с частотой f (диаграмма 18 фиг.2) поступает на делитель частоты 6 с коэффициентом деления К. Сигнал с делителя частоты 6, имеющий частоты f/K и период T = K/f, (диаграмма 19 фиг. 2) поступает на электромагнитную систему сканатора, с помощью которого фотоприемник 3 совершает возвратно-поступательное движение, преобразуя пространственное распределение яркости изделия во временной электрический сигнал, который усиливается усилителем фототока 7. Сигнал на выходе усилителя фототока имеет ступенчатую форму (диаграмма 20 фиг. 2). В течение промежутка времени T₁=K/2f, т.е. в течение времени нахождения фотоприемника 3 в зоне первого светофильтра, сигнал с усилителя фототока через первый коммутатор 8 поступает на первый пик-детектор 9 с постоянной времени разряда, превышающей период сканирования. Постоянное напряжение с пик-детектора 9 через второй коммутатор 12 поступает на вход интегратора 13 с постоянной времени - τ , в результате на выходе интегратора образуется линейно возрастающее напряжение (диаграмма 21 фиг.2). Напряжение на выходе интегратора 13 в конце промежутка времени T₁ определяется с помощью выражения

В момент времени T₁ происходит переключение коммутаторов 8 и 12 и установка триггера 15 в единичное состояние. В течение промежутка времени T₁-T, т. е. в течение времени нахождения фотоприемника 3 в зоне второго светофильтра, сигнал с усилителя фототока через первый коммутатор 8 поступает на второй пик-детектор 10, постоянное напряжение с которого через инвертор 11 и второй коммутатор 12 поступает на вход интегратора 13, на выходе которого образуется линейно убывающее напряжение (диаграмма 21 фиг. 2)

В момент равенства нулю напряжения на выходе интегратора 13 срабатывает компаратор 14, который переводит триггер 15 в нулевое состояние. Обозначив промежуток времени от начала второго такта до момента срабатывания компаратора, т. е. промежуток времени в течение которого триггер 15 находится в единичном состоянии, через переменную T₂ выразим напряжение на выходе интегратора в момент срабатывания компаратора U₁-T₁-U₂T₂ = 0. Откуда T₂ = T₁U₁/U₂, т.е. длительность импульса на выходе триггера 15 (диаграмма 22 фиг. 2) пропорциональна отношению напряжений сигналов, соответствующих разным светофильтром. Таким образом, длительность импульса пропорциональна отношению напряжений на выходе усилителя фототока, соответствующих разным светофильтрам. Напряжение с выхода триггера 15 на время T₂ открывает ключ 16 и в течение этого времени счетчик импульсов 17 считает импульсы, поступающие от генератора тактовых импульсов 5. Количество поступивших на счетчик импульсов за время T₂ (диаграмма 23 фиг.2) определяется выражением N = T₂f = T₁fU₁/U₂= K U₁/2U₂, из которого следует, что медленные в сравнении с частотой f/K изменения частоты тактовых импульсов и параметров интегратора не оказывают влияния на точность измерения отношения напряжений. Кроме того, во всем рабочем диапазоне измерения температур момент срабатывания компаратора не выходит за пределы периода T, поскольку светофильтры подобраны таким образом, что напряжение U₂ больше напряжения U₁.

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.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, устройствам для измерения температуры нагретых изделий в высокотемпературных технологических процессах. В состав устройства входят составной светофильтр, вибрационный сканатор с фотоприемником, усилитель фототока, два коммутатора, интегратор, два пик-детектора, генератор тактовых импульсов, ключ, счетчик импульсов, делитель частоты. В предложенном цифровом пирометре спектрального отношения использован принцип работы аналого-цифрового преобразователя с двухтактным интегрированием, который в сравнении с развертывающим время-импульсным преобразователем имеет меньшую погрешность преобразования, обусловленную нестабильностью параметров составных узлов. 2 ил.

Цифровой пирометр спектрального отношения, содержащий два светофильтра, выполненных с различными полосами пропускания во всем диапазоне температур нагретого изделия, вибрационный сканатор с фотоприемником, расположенный за светофильтрами с направлением сканирования, перпендикулярным линии раздела светофильтров, усилитель фототока, вход которого подключен к выходу фотоприемника, два коммутатора, интегратор, пик-детектор, компаратор, выполненный в виде триггера Шмитта, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, ключ и счетчик импульсов, отличающийся тем, что он снабжен делителем частоты, подключенным входом к генератору тактовых импульсов, а выходом - к входу сканатора, дополнительным пик-детектором с инверсным выходом и триггером, при этом первый коммутатор включен между выходом усилителя фототока и входами пик-детекторов, а второй коммутатор - между выходами пик-детекторов и входом интегратора, управляющие входы коммутаторов и один из входов триггера соединены с выходом делителя частоты, вход компаратора подключен к выходу интегратора, а выход - к другому входу триггера, соединенного выходом с управляющим входом ключа.