ПИРОМЕТР ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01J5/60 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пирометрам излучения, воспринимающим и преобразующим излучение как минимум в двух участках спектра.

Известен пирометр Спектропир 6 [1], имеющий управляемое серводвигателем переменное сопротивление (реохорд), включенное в цепь сигнала первого приемника излучения, работающего в первой длине волны, нуль-орган, включенный между выходом управляемого сопротивления и выходом второго приемника излучения, работающего во второй длине волны, а также второго управляемого сопротивления, включенного в цепь опорного источника, при этом выходным сигналом измерителя температуры является сигнал с выхода второго управляемого резистора.

Недостатком такого пирометра являются низкое быстродействие, большие габариты, низкая надежность.

Известен пирометр [2], содержащий управляемые электрическим сигналом сопротивления, образующие два делителя, один из которых включен в цепь одного из приемников излучения и изменяет сигнал в этой цепи до момента равенства его сигналу в цепи другого приемника излучения за счет усиления сигнала рассогласования операционным усилителем, выход которого подключен одновременно на входы управления первым и вторым делителями. При этом выходным сигналом пирометра является сигнал с второго делителя, включенного в цепь опорного источника напряжения.

Недостатком такого пирометра является то, что нелинейность управляемых резисторов, в качестве которых используются транзисторы, ограничивает динамический диапазон и снижает точность измерения.

Известен измеритель цветовой температуры [3], который наиболее близко подходит по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому изобретению, содержащий два устройства, которые вырабатывают два электрических сигнала, соответствующие яркостям света в двух различных длинах волн, и подают их на входы аналого-цифрового блока, вырабатывающего сигнал, характеризующий цветовую температуру, и состоящего из генератора, частота которого меняется в соответствии с входным напряжением, реверсивный счетчик, подсчитывающий выходные импульсы генератора, цифроаналоговый преобразователь, на одну клемму которого подается в качестве опорного напряжения один из вышеуказанных сигналов, а на другую - цифровой выходной сигнал счетчика, при этом преобразователь выдает аналоговое выходное напряжение, блок вычитания, который сравнивает другой выше указанный сигнал с аналоговым выходным напряжением преобразователя и выдает их разность, этот выходной сигнал блока вычитания регулирует частоту генератора и задает направление счета счетчика, генератор и счетчик работают до тех пор, пока выходной сигнал блока вычитания не станет равен нулю.

Недостатком такого технического решения является то, что дополнительный ЦАП, принципиально необходимый для получения на выходе измерителя отношения аналогового сигнала, характеризующего цветовую температуру, приводит к снижению точности и усложнению конструкции, кроме того, погрешность такого измерителя существенно возрастает при относительно малых значениях изменения отношения исходных сигналов из- за ограничения точности дискретных делителей, также недостатком такого измерителя температуры при использовании его на реальных объектах измерения является зависимость результатов измерения от селективного ослабления уровня излучения.

Целью изобретения является повышение точности измерения при любом характере излучательной способности реального объекта измерения и создание простого и надежного датчика температуры АСУ ТП.

Поставленная цель достигается тем, что в пирометр излучения, содержащий оптическую систему, состоящую из последовательно соединенных собирающего оптического элемента и светоделителя, приемники излучения, выходные усилители и аналого-цифровой блок деления, состоящий из формирователя кода и команд управления, дискретного делителя, согласующего усилителя и компаратора, выходы приемников излучения подключены к входам входных усилителей, цифровые входы дискретного делителя подключены к цифровым выходам формирователя кода и команд управления, аналоговый выход дискретного делителя через согласующий усилитель соединен с первым входом компаратора, выход которого подключен к управляющему входу формирователя кода и команд управления, второй вход компаратора подключен на выход первого входного усилителя, дополнительно введены мультиплексор, демультиплексор, регулируемый источник считывающего напряжения и аналоговое запоминающее устройство, выход второго входного усилителя подключен к первому информационному входу мультиплексора, второй информационный вход которого соединен с выходом регулируемого источника опорного напряжения, один из входов которого соединен с выходом первого входного усилителя, выход мультиплексора подключен к аналоговому входу дискретного делителя, выход согласующего усилителя соединен с информационным входом демультиплексора, адресный вход которого соединен с управляющим выходом команды "Конец преобразования" формирователя кода и команд управления и адресным входом мультиплексора, а выходы демультиплексора подключены к аналоговому запоминающему устройству.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение точности, упрощение конструкции и уменьшение зависимости результатов измерения при селективном характере ослабления уровня излучения.

Новым по сравнению с прототипом является введение в пирометр излучения мультиплексора, демультиплексора, регулируемого источника считывающего напряжения, аналогового накопителя таким образом, что выход второго входного усилителя подключен к первому информационному входу мультиплексора, второй информационный вход которого соединен с выходом регулируемого источника считывающего напряжения, один из входов которого соединен с выходом одного из входных усилителей, при этом выход мультиплексора подключен к аналоговому входу дискретного делителя, выход согласующего усилителя соединен с информационным входом демультиплексора, адресный вход которого соединен с управляющим выходом команды "Конец преобразования" формирователя кода и команд управления, а также с адресным входом мультиплексора, а выход демультиплексора подключен к аналоговому запоминающему устройству.

На фиг.1 представлена функциональная схема заявляемого устройства.

На фиг.2 представлена схема формирователя кода и команд управления 9.

На фиг.3 представлена схема дискретного делителя 10.

На фиг.4 представлена схема регулируемого источника считывающего напряжения 7.

Предлагаемое устройство состоит из оптической системы 1, содержащей собирающий оптический элемент 2, светоделитель 3, приемники излучения 4, выходных усилителей 5.1-5.2, мультиплексора 6, регулируемого источника считывающего напряжения 7, аналого-цифрового блока деления 8, содержащего формирователь кода и команд управления 9, дискретный делитель 10, согласующий усилитель 11, компаратор 12, демультиплексора 13 и аналогового накопителя 14, при этом собирающий оптический элемент 2 последовательно соединен через светоделитель 3 с приемниками излучения 4, выходы приемников излучения подключены к входам входных усилителей 5.1- 5.2, при этом цифровые входы дискретного делителя 10 соединены с цифровыми кодовыми выходами формирователя 9, аналоговый выход дискретного делителя 10 через согласующий усилитель 11 соединен с первым входом компаратора 12, выход которого подключен к управляющему входу формирователя 9, второй вход компаратора 12 подключен к выходу первого входного усилителя 5.1, выход второго входного усилителя 5.2 соединен с первым информационным входом мультиплексора 6, второй информационный вход которого подключен к выходу регулируемого источника считывающего напряжения 7, один из входов которого соединен с выходом первого входного усилителя 5.1, выход мультиплексора 6 подключен к аналоговому входу дискретного делителя 10, выход согласующего усилителя 11 соединен с информационным входом демультиплексора 13, адресный вход которого соединен с управляющим выходом команды "Конец преобразования" формирователя 9 и адресным входом мультиплексора 6, при этом выход демультиплексора 13 подключен к аналоговому запоминающему устройству 14.

Формирователь кода и команд управления 9 (фиг.2) состоит из генератора 15, сдвигающего регистра 6 и регистра последовательных приближений 17.

Дискретный делитель 10 (фиг.3) состоит из резистивной матрицы 18, токовых ключей 19 и входных усилителей - инверторов 20.

Регулируемый источник считывающего напряжения 7 (фиг. 4) состоит из опорного источника 21, токового сумматора, реализованного на резисторах 22 и операционном усилителе 23.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от объекта измерения через собирающий оптический элемент 2 проходит на светоделитель 3 и преобразуется приемниками излучения 4 в электрические сигналы, выделяемые на входных усилителях 5. Полученные электрические сигналы пропорциональны яркости объекта измерения в различных длинах волн. Сигнал в одной длине волны от второго входного усилителя 5.2 поступает на информационный вход мультиплексора 6, с выхода которого он поступает на аналоговый вход дискретного делителя 10. Дискретный делитель 10 изменяет сигнал в этой длине волны за счет изменения кода, поступающего на цифровые входы дискретного делителя с формирователя 9, до момента, пока выходной сигнал дискретного делителя 10, выделяемый согласующим усилителем 11 на первом входе компаратора 12, не достигнет величины сигнала на втором входе компаратора 12, пропорционального другой длине волны. По достижении равенства сигналов в двух длинах волн компаратор 12 вырабатывает сигнал запрета изменения кода, поступающий на формирователь 9. При этом коэффициент деления дискретного делителя 10 в аналоговой форме соответствует отношению уровней излучения объекта измерения в двух длинах волн, т.е. цветовой температуре объекта измерения.

На выходе формирователя 9 формируется команда "Конец преобразования ", которая изменяет код на адресных входах мультиплексора 6 и демультиплексора 13, тем самым переводит работу пирометра в режим считывания результатов измерения отношения интенсивностей излучения в двух длинах волн. При этом аналоговый вход дискретного делителя 10 подключается к выходу регулируемого источника считывающего напряжения 7, а выход согласующего усилителя 11 подключается на аналоговый накопитель 14 через демультиплексор 13.

Таким образом на накопителе 14 будет сформирован аналоговый сигнал, связанный с измеряемой температурой объекта измерения за счет того, что считывающее напряжение, пройдя дискретный делитель, будет содержать в себе информацию об отношении интенсивностей излучения в двух длинах волн.

При сером характере изменения уровня излучения или близком к нему напряжение на выходе источника считывающего напряжения 7 определяется опорным источником 21, при селективном характере изменения уровня излучения считывающее напряжение дополняется сигналом, пропорциональным яркости с выхода одного из входных усилителей 5, например первого, за счет изменения долевых весов сумматора - резисторов 22.

Работа дискретного делителя 10 стандартна и заключается в изменении весовых долей резистивной матрицы 18 при помощи токовых ключей 19, управляемых входными усилителями-инверторами 20, являющимися цифровыми входами дискретного делителя.

Работа формирователя кода и команд управления 9 происходит согласно известному принципу поразрядного уравновешивания, реализованному с помощью тактового генератора 15, сдвигающего регистра 16 и регистра последовательных приближений 17.

В качестве аналого-цифрового блока деления 8 может быть использован АЦП поразрядного уравновешивания типа 572ПВ1 [4], включающий в себя формирователь кодов и команд управления и дискретный делитель.

Мультиплексор 6 и демультиплексор 13 могут быть реализованы в виде микросхемы 176КП1 [4]. Входные усилители 5, согласующие усилители 11, компаратор 12 могут быть реализованы на базе операционных усилителей типа 140УД17. Сумматор регулируемого источника считывающих напряжений 7 может быть реализован на операционном усилителе 140УД17 и нескольких резисторах по стандартной схеме суммирования токов. В качестве опорного источника может быть использован стабилитрон типа Д 818.

Доказательством полученного эффекта может служить то, что при использовании предлагаемого технического решения удается повысить точность измерения температуры, так как на результаты измерения не влияет погрешность связи между коэффициентом деления резистивной матрицы и соответствующим цифровым кодом, по какой бы причине она не возникала, из-за температурного воздействия или временного воздействия, или исходной погрешности изготовления. Так, используя стандартную матрицу резисторов серии 572ПВ1, имеющую допустимую погрешность 122 ед.мл.разряда, удается эту погрешность исключить.

При измерении температуры объекта с селективным характером излучения по предложенному техническому решению удается сформировать считывающий сигнал так, чтобы изменение отношения, вызванное влияющим фактором, было противоположно по знаку изменению считывающего напряжения под влиянием этого же фактора.

Источники информации.

1. Пирометр Спектропир 6. Техническое описание 0088 ТО.

2. Авторское свидетельство N 594414, кл. G 01 J 5/60, 1976.

3. Патент Японии N 3-31210, кл. G 01 J 5/00, 1991. (прототип).

4. Справочник. С. В. Якубовский и др. " Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы ". М.: Радио и связь, 1990.

Изобретение относится к пирометрии и предназначено для измерения цветовой температуры. Пирометр содержит светоделитель 3, приемники 4 излучения, входные усилители 5.1 и 5.2 и аналого-цифровой блок 8 деления. Блок 8 состоит из формирователя 9 кода и команд управления, дискретного делителя 10, согласующего усилителя 11 и компаратора 12. Выход второго входного усилителя 5.2 подключен к первому информационному входу мультиплексора 6. Второй вход мультиплексора соединен с выходом регулируемого источника 7 считывающего напряжения. Выход мультиплексора подключен к аналоговому входу дискретного делителя 10. Выход согласующего усилителя 11 соединен с информационным входом демультиплексора 13. Выходы демультиплексора подключены к аналоговому запоминающему устройству 14. 4 ил.

Пирометр излучения для измерения в двух и более участках спектра, содержащий оптическую систему, состоящую из последовательно соединенных собирающего оптического элемента и светоделителя, приемники излучения, входные усилители и аналого-цифровой блок деления, состоящий из формирователя кода и команд управления, дискретного делителя, согласующего усилителя и компаратора, выходы приемников излучения подключены ко входам входных усилителей, цифровые входы дискретного делителя подсоединены к цифровым кодовым выходам формирователя кода и команд управления, аналоговый выход дискретного делителя через согласующий усилитель соединен с первым входом компаратора, выход которого подключен к управляющему входу формирователя кода и команд управления, второй вход компаратора подключен на выход первого входного усилителя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены мультиплексор, демультиплексор, регулируемый источник считывающего напряжения и аналоговое запоминающее устройство, выход второго входного усилителя подключен к первому информационному входу мультиплексора, второй информационный вход которого соединен с выходом регулируемого источника считывающего напряжения, один из входов которого соединен с выходом первого входного усилителя, выход мультиплексора подключен к аналоговому входу дискретного делителя, выход согласующего усилителя соединен с информационным входом демультиплексора, адресный вход которого соединен с управляющим выходом "Конец преобразования" формирователя кода и команд управления и адресным входом мультиплексора, а выходы демультиплексора подключены к аналоговому запоминающему устройству.