ЦИФРОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР Российский патент 1999 года по МПК G01J5/28 

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

Известно оптико-электронное устройство для измерения температуры (Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 69-70), которое содержит оптическую систему, светофильтр, модулятор, диафрагмы, фотоприемник, управляемый усилитель, частотный фильтр, выпрямитель, блок сравнения, задатчик напряжений и эталонную лампу. В этом устройстве лампа накаливания является источником сигнала, с помощью которого автоматически поддерживается постоянство коэффициента передачи усилительно-преобразовательного тракта.

Недостатком этого устройства является сложность конструкции оптико-механического узла, а следовательно, и невысокая его надежность.

Наиболее близким аналогом к предложенному устройству является фотоэлектрический пирометр (авт. св. СССР 754227, кл. G 01 J 5/14, 07.08.80), содержащий объектив, фотопреобразователь, электронную схему обработки информации, включающую коммутатор и триггер Шмитта.

Данное измерительное устройство не обеспечивает высокую точность измерений, так как содержит механические и оптические подвижные детали и не обеспечивает автоматическую компенсацию составляющих погрешности измерений, обусловленных влиянием различных внешних факторов.

Задачей изобретения является создание нового оптико-электронного устройства для измерения температуры изделия с цифровым представлением результата измерения, не содержащего механические и оптические подвижные детали и имеющего автоматическую компенсацию составляющих погрешности измерения, обусловленных влиянием различных внешних факторов.

Заявляемый цифровой энергетический пирометр содержит объектив, фотопреобразователь и электронную схему обработки информации, включающую коммутатор и триггер Шмитта.

Для повышения точности измерения температуры и удобства пользования измерительным устройством пирометр снабжен усилителем фототока, к выходу которого подключены два пиковых детектора, а электронная схема обработки информации дополнена дифференциальным усилителем, входы которого соединены с пиковыми детекторами, коммутатор выполнен двухвходовым, к его первому входу подключен дифференциальный усилитель, а к второму - выход пикового детектора, подключенного общей точкой к шине питания, а с выходом коммутатора соединен интегратор, подключенный выходом к триггеру Шмитта, выход которого подключен к первому входу триггера, и генератором тактовых импульсов, соединенным с делителем частоты, выход которого соединен со светодиодом, управляющим входом коммутатора и вторым входом триггера, подключенного выходом к управляющему входу ключа, соединяющего генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов.

На фиг. 1 изображена блок-схема цифрового энергетического пирометра; на фиг. 2 - времяимпульсная диаграмма, поясняющая его работу.

Пирометр представляет собой объектив 1, в плоскости изобретения которого установлен фотопреобразователь 2, представляющий собой фотодиод. Перед фотопреобразователем 2 установлен светодиод 3, обладающий высокой стабильностью (светодиоды ДИ-3 или ДИ-10, см. Новицкий Л.А., Гоменюк А.С., Зубарев В. Е. , Хорохоров А.М. Оптико-электронные приборы для научных исследований. -М.: Машиностроение, 1986). Фотопреобразователь 3 соединен с усилителем фототока 4, к выходу которого подключены пиковые детекторы 5 и 6, причем пиковый детектор 6 подключен общей точкой к шине питания электронной схемы. Выходы пиковых детекторов 5 и 6 соединены с входами дифференциального усилителя 7, который осуществляет операцию вычитания и умножения на коэффициент К. Выход дифференциального усилителя 7 и выход пикового детектора 6 соединены с входами двухвходового коммутатора 8. Выход коммутатора 8 соединен с интегратором 9, выполненным на базе операционного усилителя и соединенным с триггером Шмитта 10 с нулевым порогом перехода в нулевое состояние, выход которого соединен с первым входом триггера 11. Триггер 11 срабатывает от срезов импульсов, поступающих на его входы. Пирометр содержит генератор тактовой частоты 12 и соединенный с ним делитель частоты 13. Светодиод 3, управляющий вход коммутатора 8 и второй вход триггера 11 соединены с выходом делителя частоты 13. Выход триггера 11 в свою очередь подключен к управляющему входу ключа 14, соединяющего генератор тактовых импульсов 12 со счетчиком импульсов 15.

При работе пирометра сигнал с генератора тактовых импульсов 12 с частотой f поступает на делитель частоты 13 с коэффициентом деления n. Сигнал с делителя частоты 13, имеющий частоту f/n и период T=n/f (диаграммы 16 фиг. 2), поступает на светодиод 3 и управляющий вход коммутатора 8. В процессе измерения температуры изделия на фотопреобразователь 2 поступают постоянный во времени и зависящий от температуры T поток излучения от нагретого изделия Фи(T) и импульсный поток излучения от светодиода Фс(t), т.е. суммарный поток излучения (диаграмма 17 фиг. 2) Ф(T,t) = Фи(T)+ Фс(t).

Фотопреобразователь 2, представляющий собой фотодиод и имеющий токовую чувствительность S₁, преобразует поток излучения, поступающий на его вход, в электрический ток Iф = Ф(T,t,)S₁, который поступает на вход усилителя фототока 4 с коэффициентом усиления Куф, на выходе которого образуется электрический сигнал, совпадающий по форме с потоком излучения U₄ = Ф(T,t,)S₁R_нКуф, где R_н - сопротивление нагрузки фотопреобразователя.

Напряжение с выхода усилителя фототока 4 поступает на пиковые детекторы 5 и 6. Пиковый детектор 6 сглаживает впадины импульсов на выходе усилителя фототока, т.е. на выходе пикового детектора 6 образуется постоянное напряжение, соответствующее потоку излучения от нагретого изделия Фи(T). А пиковый детектор 5 сглаживает вершины импульсов на выходе усилителя фототока, т.е. на выходе пикового детектора 5 образуется постоянное напряжение, соответствующее пиковому значению суммарного потока излучения Ф(T). Напряжения с пиковых детекторов 5 и 6 поступают на дифференциальный усилитель 7 с коэффициентом усиления K, на выходе которого образуется постоянный сигнал, определяемый потоком излучения светодиода 3
U₇ = ФсS₁R_нKуфK.

Отрицательный знак напряжения на выходе дифференциального усилителя 7 обусловлен тем, что большее по абсолютной величине напряжение с пикового детектора 5 поступает на инвертирующий вход усилителя 7. В течение промежутка времени T₁=T/2 коммутатор 8 с помощью управляющего сигнала от делителя частоты подключает пиковый детектор 6 к интегратору 9 с постоянной времени T_и, на выходе которого образуется линейно возрастающее напряжение (диаграмма 18 фиг. 2). Напряжение на выходе интегратора 9 в конце промежутка времени T₁ определяется с помощью выражения

В момент времени T₁ происходит переключение коммутатора 8 и установка триггера 11 в единичное состояние с помощью сигнала от делителя частоты 13. В течение промежутка времени T₁-T коммутатор 8 подключает дифференциальный усилитель к интегратору 9, на выходе которого образуется линейно убывающее напряжение (диаграмма 18 фиг. 2)

В момент равенства нулю напряжения на выходе интегратора 9 триггер Шмитта 10 переходит в нулевое состояние и переводит триггер 11 в нулевое состояние. Обозначив промежуток времени от начала второго такта до момента срабатывания компаратора 10, т. е. промежуток времени, в течение которого триггер 11 находится в единичном состоянии, через переменную T₂, выразим напряжение на выходе интегратора в момент срабатывания компаратора 10 U₆T₁ - U₇T₂ = 0.

Откуда T₂= T₁U₆/U₇= T₁Фи(T)S₁KуфR_н/(ФсS₁KуфKR_н) = T₁Фи(T)/(ФсK), т.е. длительность импульса на выходе триггера 11 (диаграмма 19 фиг. 2) определяется температурой нагретого изделия. Напряжение с выхода триггера 11 на время T₂ открывает ключ 14 и в течение этого времени счетчик импульсов 15 считает импульсы, поступающие от генератора тактовых импульсов 12. Количество поступивших на счетчик импульсов за время T₂ определяется выражением N= T₂f=nФи(T)/2(ФсK), из которого следует, что медленные в сравнении с частотой f/n изменения частоты тактовых импульсов и параметров интегратора 9 не оказывают существенного влияния на точность измерения температуры. Кроме того, во всем рабочем диапазоне измерения температуры момент срабатывания триггера Шмитта 10 не выходит за пределы промежутка времени T - T₁, поскольку усиленное усилителем 7 напряжения U₇ по абсолютной величине больше напряжения U₆. В предложенном пирометре на точность измерения температуры не оказывают влияния нестабильности параметров фотопреобразователя 2 (S₁) и усилителя фототока 4 (Kуф). Линеаризация зависимости Фи(T) в пирометре может осуществляться подбором оптического материала объектива 1 и типа фотопреобразователя 2.

Результат измерения температуры может быть непосредственно введен в ЭВМ без дополнительного аналого-цифрового преобразователя.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения температуры нагретых изделий, и может быть использовано при производстве проката, поковок и изделий строительной промышленности. Цифровой энергетический пирометр содержит объектив, фотопреобразователь, электронную схему обработки информации, усилитель фототока. Схема обработки информации включает коммутатор, триггер Шмитта, дифференциальный усилитель, генератор тактовых импульсов. К выходу усилителя фототока подключены два пиковых детектора, а входы дифференциального усилителя соединены с пиковыми детекторами. К первому входу двухвходового коммутатора подключен дифференциальный усилитель, а к второму - выход пикового детектора, подключенного общей точкой к шине питания. С выходом коммутатора соединен интегратор. Выход интегратора подключен к триггеру Шмитта. Выход триггера Шмитта подключен к первому входу триггера. Генератор тактовых импульсов соединен с делителем частоты. Выход делителя частоты соединен со светодиодом. Светодиод управляет входом коммутатора и вторым входом триггера. Выход триггера подключен к управляющему входу ключа. Ключ соединяет генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов. Такое выполнение пирометра позволяет исключить из его состава механические и оптические подвижные детали, что повышает точность измерения температуры. 2 ил.

Цифровой энергетический пирометр, содержащий объектив, фотопреобразователь, электронную схему обработки информации, включающую коммутатор и триггер Шмитта, отличающийся тем, что пирометр снабжен усилителем фототока, к выходу которого подключены два пиковых детектора, а электронная схема обработки информации дополнена дифференциальным усилителем, входы которого соединены с пиковыми детекторами, коммутатор выполнен двухвходовым, к его первому входу подключен дифференциальный усилитель, а к второму - выход пикового детектора, подключенного общей точкой к шине питания, а с выходом коммутатора соединен интегратор, подключенный выходом к триггеру Шмитта, выход которого подключен к первому входу триггера, и генератором тактовых импульсов, соединенным с делителем частоты, выход которого соединен со светодиодом, управляющим входом коммутатора и вторым входом триггера, подключенного выходом к управляющему входу ключа, соединяющего генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов.