ИНФРАКРАСНЫЙ РАДИОМЕТР Российский патент 2001 года по МПК G01J5/00 

Инфракрасный радиометр предназначен для измерения теплового излучения, температур поверхностей различных объектов с помощью регистрации инфракрасного излучения.

Известны две схемы инфракрасных радиометров компенсационного типа (аналоги), структурные схемы которых приведены на фиг. 1а и 1б (Поскачей А. А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. - М., Энергоатомиздат, 1988, с.52). Общими узлами в этих радиометрах являются приемник излучения 1, усилитель 2, опорный источник излучения 3, механический вибратор 4, кадровые окна 5. Первый радиометр кроме названных блоков также включает управляемый источник тока 6. Другой содержит исполнительное устройство 7, механически связанное с серым оптическим клином 8, и источник тока 9.

В радиометрах вибратор 4 производит модуляцию сигналов попеременно, перекрывая кадровые окна 5 и соответствующие потоки теплового излучения - входной, измеряемый и опорный. На выходе приемника 1 формируется импульсное напряжение типа меандр, амплитуда которого пропорциональна разности этих потоков, а частота равна частоте работы вибратора.

В первом радиометре (фиг.1a) усиленный сигнал приемника излучения является управляющим для источника тока 6, который питает эталонный излучатель 3. Этот источник вырабатывает ток такой величины, чтобы тепловые потоки опорного излучателя и основного, измеряемого, стали равными. В этом радиометре по величине выходного тока источника 6 судят о величине входного сигнала.

Другой радиометр (фиг. 1б) отличается от первого тем, что регулирование теплового излучения опорного источника 3 достигается не изменением питающего его тока (он сохраняется неизменным), а вводом между опорным излучателем и приемником оптического, серого клина, ослабляющего сигнал опорного излучателя по линейному закону. Механическое перемещение клина выполняется исполнительным устройством - тихоходным двигателем. По перемещению серого клина определяют мощность теплового излучения на входе прибора.

Основным недостатком радиометра, изображенного на фиг. 1а, является невысокая линейность передаточной характеристики, что связано с аналоговым принципом регулирования мощности опорного излучателя посредством регулировки питающего этот излучатель тока.

Основным недостатком радиометра на фиг. 1б является малое быстродействие из-за механического привода движения серого оптического клина для изменения теплового опорного излучения.

На фиг. 2 представлена схема инфракрасного радиометра (Авдошин Е.С. //Приборы и техника эксперимента, N4, 1989, с.189), который выбран за прототип и наиболее близко подходит к предлагаемому устройству. В состав радиометра входят: приемник излучения 1 (датчик), предварительный малошумящий усилитель 2 и усилитель 3, синхронный детектор 4, усилитель постоянного тока 5, индикатор 6, опорный источник инфракрасного излучения 7, помещенный в термостат 8 и питание которого осуществляется от прецизионного источника тока 9. Управление работой механического модулятора 16 радиометра осуществляют следующие узлы: оптоэлектронная пара 12 с открытым каналом, состоящая из излучателя 10 и приемника 11, усилитель-формирователь сигнала оптопары 13, регулятор 14 скорости вращения двигателя 15.

Приемником излучения 1 в радиометре служит неселективный, неохлаждаемый полупроводниковый болометр, в качестве опорного излучателя 7 использован инфракрасный диод. Температура опорного излучателя стабилизируется термостатом 8. Конструкция термостата представляет собой два металлических цилиндрических корпуса, вставленных один в другой и разделенных слоем теплоизолятора. На внутреннем корпусе намотан нагреватель из нихромовой проволоки. Опорный излучатель установлен под углом к оптической оси приемника излучения 1.

Потоки теплового излучения в радиометре модулируются вращающимся алюминиевым диском (модулятор 16) с двумя секторными вырезами. Поверхность модулятора, обращенная к датчику (приемнику излучения), зеркальная. При вращении диска на датчик поступают поочередно тепловые излучения объекта I_вх и опорного излучателя I_оп. Излучение последнего отражается от зеркальной поверхности металлических секторов диска на приемник 1. Вследствие этого на выходе приемника возникает периодическая последовательность импульсных сигналов со скважностью 2 (напряжение типа меандр), частотой, равной частоте прерывания тепловых излучений (измеряемого и образцового) модулятором и амплитудой, пропорциональной разности интенсивностей этих излучений.

Для стабилизации частоты вращения диска используется прецизионный регулятор 14 числа оборотов электродвигателя постоянного тока 15 с малым моментом инерции ротора. Принцип работы регулятора заключается в сравнении длительности эталонного импульса, вырабатываемого в регуляторе, с длительностью импульса, который поступает на регулятор с выхода оптопары 12 через усилитель-формирователь 13 (импульс обратной связи). Если длительности импульсов равны, электродвигатель вращается с номинальной, установившейся скоростью. В обратном случае, при отличающихся длительностях импульсов регулятором формируется разностный сигнал, который приводит к изменению частоты вращения двигателя. Как показано в прототипе, установившаяся скорость электродвигателя зависит только от длительности эталонного импульса регулятора.

Синхронный детектор 4 в радиометре преобразует периодическую последовательность импульсных сигналов в постоянное напряжение, величина которого соответствует амплитуде импульсов на входе детектора. Следующий за синхронным детектором усилитель постоянного тока 5 усиливает напряжение до величины, воспринимаемой устройством отображения - индикатором 6. Выходное напряжение радиометра определяется формулой:
U_вых = Kqw (I_вх - I_оп) (1)
где К - полный коэффициент усиления всего измерительного тракта радиометра (произведение коэффициентов усиления предварительного усилителя 2, усилителя 3, усилителя постоянного тока 5, коэффициента передачи синхронного детектора 4),
q - вольтовая чувствительность датчика (приемника излучения) [В/Вт],
w - площадь активной области датчика [м²],
I_вх - мощность теплового излучения объекта [Вт/м²],
I_оп - мощность теплового излучения опорного излучателя.

Мощность излучения I пропорциональна абсолютной температуре поверхности объекта Т
I = σ T⁴, где σ - постоянная Стефана-Больцмана (5,67 • 10^-8 Вт/м²К⁴).

Недостатком этого радиометра является недостаточно высокая точность измерений, так как выходное напряжение зависит от стабильности коэффициента усиления К измерительного тракта и чувствительности q приемника излучения. При изменении коэффициентов усиления усилителей радиометра либо при изменении вольтовой чувствительности датчика вследствие, например, изменения температуры рабочей среды прибора или напряжений, питающих усилители, произойдет изменение выходного напряжения радиометра. Так как это напряжение несет информацию о разности мощностей тепловых излучений объекта и опорного источника, его изменение вследствие названных причин для прибора адекватно изменению теплового излучения объекта. Это приводит к погрешности радиометра.

Разработка предлагаемого изобретения позволяет устранить этот недостаток прототипа и тем самым достигнуть более высокую точность измерений, а также получить возможность цифрового представления выходного сигнала без использования аналого-цифрового преобразователя.

Для этого в инфракрасный радиометр, содержащий модулятор, представляющий собой металлический диск с равными секторами, причем его поверхность, обращенная к приемнику излучения, зеркальная, приемник излучения, на вход которого вследствие равномерного вращения диска попеременно поступают тепловые излучения объекта и помещенного в термостат опорного источника, установленного под углом к оси приемника, излучение которого поступает в приемник, отражаясь от диска модулятора, в то время как входное излучение перекрыто диском, оптоэлектронную пару, определяющую скорость вращения диска модулятора, установленную с приемником излучения симметрично относительно центра вращения диска, на прямой, проходящей через центр вращения диска модулятора и на равном расстоянии от центра, причем выход приемника подключен к последовательно соединенным предварительному усилителю и усилителю, а выход оптопары соединен с последовательно соединенными усилителем-формирователем, регулятором скорости, двигателем постоянного тока, вращающим диск модулятора, для достижения намеченного технического результата введены электронный ключ, схема исключения постоянной составляющей, аналоговый компаратор, сравнивающий сигнал с нулевым уровнем, реверсивный двоичный и двоичный счетчики, цифровой компаратор, сравнивающий коды счетчиков, триггеры формирования широтно-импульсного сигнала и разрешения счета двоичного счетчика, управляемый прецизионный источник тока, генератор импульсов, формирователь импульсов, первый и второй инверторы, элемент 2И-НЕ, первая и вторая дифференцирующие цепи, схема инверторов, выход которой является выходной цифровой шиной радиометра, выход генератора импульсов соединен с первым входом двоичного счетчика, второй вход которого подключен к обратному выходу триггера разрешения счета двоичного счетчика, а первый и второй выходы двоичного счетчика подключены соответственно к первому входу цифрового компаратора и к последовательно соединенным первому инвертору и первой дифференцирующей цепи, второй вход цифрового компаратора подключен к входу схемы инверторов и объединен с выходом реверсивного счетчика, первый вход которого соединен с выходом аналогового компаратора, а второй вход соединен с выходом элемента 2И-НЕ и объединен с входом второго инвертора, выход которого подключен к входу сброса триггера формирования широтно-импульсного сигнала, вход установки которого соединен с выходом цифрового компаратора, а выход подключен к управляемому прецизионному источнику тока, выход которого соединен с опорным источником излучения, выход усилителя подключен к последовательно соединенным электронному ключу, схеме исключения постоянной составляющей, аналоговому компаратору, второй вход аналогового компаратора подключен к общей шине, а второй вход электронного ключа подключен к прямому выходу триггера разрешения счета двоичного счетчика и объединен с первым входом элемента 2И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя и объединен с входом формирователя импульсов, выход которого через вторую дифференцирующую цепь соединен с входом установки триггера разрешения счета двоичного счетчика, вход сброса которого подключен к выходу первой дифференцирующей цепи.

На фиг. 1 приведены структурные схемы нулевых инфракрасных радиометров (аналоги).

На фиг. 2 представлена структурная схема инфракрасного радиометра - прототипа.

На фиг. 3 приведена структурная схема предлагаемого инфракрасного радиометра.

На фиг. 4 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого радиометра.

На фиг. 5 приведены временные диаграммы, когда в радиометре достигнут нулевой баланс.

Структурная схема предлагаемого инфракрасного радиометра приведена на фиг. 3. На приемник 1 тепловое излучение объекта поступает через механический модулятор 16, прерывающий это излучение. Модулятор (металлический диск с двумя равными секторами) приводится во вращение двигателем постоянного тока 15. Когда входной поток излучения перекрыт металлическим сектором диска, на приемник поступает сигнал опорного излучателя 7, оптическая ось которого находится под углом к оси приемника. Излучение опорного источника отражается от зеркальной поверхности диска.

Скорость вращения диска определяется с помощью оптоэлектронной пары 12 с открытым каналом, на выходе которой возникают импульсы, длительность которых пропорциональна скорости вращения диска. Оптопара состоит из излучателя 10 и приемника 11. Конструктивно оптопара и приемник излучения 1 установлены симметрично относительно центра вращения диска (на равном расстоянии от центра), на прямой, проходящей через ось вращения диска. Усиленные и сформированные в 13 импульсы сигнала оптопары поступают на прецизионный регулятор 14 скорости вращения двигателя постоянного тока 15. Отсутствие импульса оптопары соответствует закрытому ее каналу, когда между излучателем и приемником оптопары находится металлический сектор диска модулятора. И наоборот, наличие импульса на выходе 13 соответствует открытому каналу. Ввиду симметричного расположения приемника излучения 1 и оптопары 12 существует синхронизм появления сигналов на их выходах. Если приемник 11 оптопары освещен излучателем 10, на датчик 1 поступает излучение объекта. И наоборот, если сигнал оптопары отсутствует, приемник 1 воспринимает сигнал опорного источника 7, излучение которого отражается от металлического сектора диска, имеющего зеркальную поверхность. Таким образом, световой поток в оптопаре модулируется одновременно с основным, измеряемым тепловым излучением.

К новым узлам радиометра относятся: электронный ключ 17, схема исключения постоянной составляющей 18, устраняющая в передаваемой через нее импульсной последовательности сигналов постоянную составляющую напряжения, аналоговый компаратор 19, определяющий полярность входного напряжения, два цифровых одинаковой разрядности счетчика - реверсивный 20 и двоичный 21, цифровой компаратор 22, сравнивающий коды счетчиков, триггеры 23 и 24 формирования широтно-импульсного сигнала и разрешения счета двоичного счетчика, соответственно, формирователь импульсов 25, генератор импульсов 26, логический элемент 30, выполняющий операцию 2И-НЕ, первый и второй инверторы 31 и 32, выполняющие логическую операцию НЕ, первая и вторая дифференцирующие цепи 33 и 34, управляемый прецизионный источник тока 29, питающий опорный излучатель 7 радиометра, схема инверторов 27, с выхода которой цифровой код поступает на выходную шину 28 радиометра.

С выхода усилителя-формирователя 13 сигнала оптопары прямоугольные импульсы (фиг. 4) поступают на схему 25. Формирователь 25 вырабатывает импульсы фиксированной длительности и отрицательной полярности (выход 25 на фиг. 4), которые появляются на выходе при перепаде напряжения на его входе (в момент затемнения и освещения приемника 11 оптопары излучателем 10). Благодаря симметричному расположению приемника излучения 1 и оптопары импульсный сигнал на выходе формирователя 25 возникает в момент изменения теплового излучения на входе приемника 1 с измеряемого на опорный и наоборот. Задним фронтом импульса формирователя через дифференцирующую цепь 34 происходит установка триггера 24 в единицу (вход S). После установки триггера на его обратном выходе появляется низкий потенциал. Так как этот выход соединен с входом сброса R двоичного счетчика 21, сигнал сброса счетчика снимается и он начинает счет от нуля. Двоичный счетчик 21 производит счет импульсов генератора 26 и на его первом выходе осуществляется прямая развертка двоичного кода. После переполнения двоичного счетчика 21, когда все его разряды из единичного состояния переходят в нулевое, аналогичный перепад (из лог.1 в лог.0) возникает и на выходе старшего разряда счетчика (выход 2 на фиг. 3). После выполнения над этим перепадом в элементах 31 и 33 двух операций - инверсии и дифференцирования - образовавшийся короткий импульс на выходе 33 сбрасывает по входу R триггер 24 и соответственно останавливает работу двоичного счетчика. Остановка счета сохраняется до следующей установки триггера в единицу. Время нахождения триггера 24 в единице и, следовательно, временной интервал разрешения работы двоичного счетчика составляет 90-95% от длительности импульса оптопары. Выбор такого интервала связан со следующим.

Во-первых, установка триггера 24 и, следовательно, задержка в работе двоичного счетчика относительно изменения тепловых потоков излучения на входе приемника 1 связана с размерами этого приемника, с площадью его активной зоны, принимающей излучение. Так как активная область приемника излучения имеет конечный размер (площадь w), стало быть, переход через эту зону края металлического сектора диска модулятора приведет к постепенному переходу на входе приемника с одного излучения на другое. По мере того как металлический сектор все более перекрывает входной поток, происходит постепенная смена потоков - измеряемого и опорного. Длительность импульса формирователя 25 выбрана с таким расчетом, чтобы в радиометре на входе приемника произошла полная смена тепловых излучений - входного и генерируемого опорным излучателем. Длительность этого импульса регулируется в момент изготовления устройства под конкретный приемник излучения.

Во-вторых, для регулирования скорости вращения двигателя используется сигнал оптопары как сигнал обратной связи. В прототипе показано, что установившаяся скорость вращения диска модулятора зависит только от длительности эталонного импульса, вырабатываемого в регуляторе 13. Однако именно различие в длительностях импульсов, эталонного и импульса оптопары, вызывает возникновение сигнала подстройки скорости вращения двигателя. Именно разница в длительностях сигналов эталонного и оптопары вызывает появление регулирующего воздействия на двигатель. Поэтому, неизбежно в ходе регулирования скорости вращения двигателя в небольших пределах будет меняться длительность периода повторения импульсов оптопары. В установившемся режиме работы радиометра эти изменения будут составлять небольшую величину. Вследствие названных причин импульс на выходе триггера 24 заканчивается раньше, до смены тепловых потоков излучения. Так как сброс триггера 24 осуществляется двоичным счетчиком, следовательно, интервал времени нахождения триггера 24 в единице зависит от частоты вырабатываемых импульсов генератором 26. Изменение этого интервала осуществляется изменением частоты генератора. Регулировка генератора выполняется один раз после изготовления прибора. Если со временем длительность эталонного импульса регулятора 13 остается неизменной, то и регулирование тактовой частоты генератора не требуется.

Таким образом, триггер 24 устраняет влияние нестабильности вращения двигателя 15 (вследствие регулирующего эффекта) на точность работы радиометра и также предотвращает влияние конечной скорости смены тепловых излучений (переходных процессов) на входе приемника, зависящей от размеров активной области датчика. Для этого триггер 24 отключает на промежуток времени t_откл (фиг. 4), в течение которого эти погрешности могут быть проявлены, выходы усилителей от входа схемы исключения постоянной составляющей 18 (разрывает измерительный тракт). Это осуществляется электронным ключом 17, на управляющий вход которого поступает сигнал с прямого выхода триггера 24. Если этот триггер в единице, ключ замкнут, выходной сигнал усилителя 3 поступает на вход схемы 18. Если триггер сброшен, ключ 17 разомкнут, и между выходом усилителя 3 и схемой исключения постоянной составляющей 18 существует разрыв.

На временных диаграммах фиг. 4 показана импульсная последовательность сигналов оптопары (выход 13) и триггера разрешения счета в двоичном счетчике (прямой выход 24), когда достигнута установившаяся скорость вращения двигателя и завершены переходные процессы в регуляторе 14 по регулировке частоты вращения двигателя (после включения радиометра или при изменении скорости двигателя по каким-либо причинам). Период симметричной прямоугольной модуляции в радиометре включает два равных по длительности полупериода. В первой половине периода модуляции на вход приемника поступает тепловое излучение объекта. Во втором полупериоде измеряемый канал перекрывается сектором диска модулятора, от которого отражается в приемник тепловое опорное излучение.

Опорный излучатель 7 питается от прецизионного источника тока 29, который отличается от источника тока, описанного в прототипе, тем, что является управляемым. Сигнал управления дискретно изменяет ток источника. Поэтому инфракрасный излучатель генерирует два различных по мощности тепловых потока I_оп1 и I_оп2. Управление осуществляется логическим сигналом с выхода триггера 23 широтно-импульсного сигнала. Если на его выходе логический ноль (лог. 0), триггер в сброшенном состоянии и тепловое излучение опорного источника равно I_оп1. В другом случае, при установленном в единицу триггере (лог.1 на выходе) управляемый источник тока вырабатывает ток такой величины, при котором опорный источник излучает I_оп2 > I_оп1.

Триггер 23 формирования широтно-импульсного сигнала устанавливается только во второй половине периода модуляции, когда на его вход S установки со схемы 22 сравнения цифровых кодов (цифровой компаратор) поступает импульсный сигнал (фиг. 4, выход 22). В первом полупериоде модуляции, когда на вход приемника 1 поступает измеряемое тепловое излучение, триггер 23 поддерживается в сброшенном состоянии сигналом "логическая единица" с выхода инвертора 32 (фиг. 4, выход 32). Вход сброса R триггера 23 имеет более высокий приоритет, чем вход установки S. Поэтому появление в первой половине периода модуляции сигнала с выхода цифрового компаратора не приводит к установке триггера широтно-импульсного сигнала единицу. На выходе инвертора 32 уровень лог. 1 возникает в случае, если на обоих входах конъюнктора 30 одновременно появляются единичные сигналы (лог. 1) с прямого выхода триггера 24 и усилителя-формирователя 13. Это происходит в первом полупериоде модуляции. Временная диаграмма сигнала на выходе 30 приведена на фиг. 4.

Момент установки триггера 23 в единицу во второй половине периода модуляции зависит от содержимого реверсивного счетчика 20. Двоичный счетчик 21 осуществляет на своем выходе развертку двоичного кода и в момент его совпадения с кодом реверсивного счетчика схемой сравнения 22 вырабатывается импульс, поступающий на вход S установки триггера 23 в единицу. Реверсивный счетчик имеет два входа - вход счета С и вход направления счета U/D. На вход счета С сигнал поступает с выхода элемента 30. Так как счет в реверсивном счетчике осуществляется по положительному фронту импульса, изменение его содержимого будет осуществляться один раз за период модуляции, в первом полупериоде модуляции. Это совпадает с поступлением измеряемого теплового излучения на вход приемника 1.

На другой вход реверсивного счетчика, вход направления счета U/D, логический сигнал поступает с выхода компаратора 19. Компаратор определяет полярность входного напряжения, так как второй его вход соединен с общей точкой (нуль- орган). Если на выходе компаратора лог. 1, счет в реверсивном счетчике при окончании каждого первого полупериода модуляции осуществляется в прямом направлении, на увеличение его содержимого. В другом случае, содержимое реверсивного счетчика по каждому счетному импульсу на входе С уменьшается, если выходной сигнал компаратора 19 равен логическому нулю.

Таким образом, сигнал с выхода компаратора воспринимается реверсивным счетчиком только при появлении положительного перепада импульса на входе С. В этом заключается синхронизация работы радиометра - изменение кода реверсивного счетчика осуществляется только в той половине периода модуляции, в течение которой на вход приемника прибора поступало излучение объекта. Первый вход компаратора 19 подключен к общей точке, на второй его вход поступает сигнал с выхода схемы 18 исключения постоянной составляющей. Входным сигналом схемы 18 является усиленная в предварительном усилителе 2 и усилителе 3 модулированная последовательность импульсных сигналов (фиг. 4, вход схемы 18).

Принцип работы радиометра заключается в следующем. На входе схемы 18 амплитуда импульса напряжения в первой половине периода модуляции пропорциональна мощности входного, измеряемого излучения I_вх (фиг. 4, вход 18). Во втором полупериоде модуляции, когда триггер 23 сброшен, амплитуда импульса на входе 18 пропорциональна тепловому излучению I_оп1 опорного излучателя 7. После установки триггера 23 в единицу амплитуда импульса на входе схемы 18 возрастает, что соответствует увеличению излучения опорного излучателя до величины I_оп2.

После исключения схемой 18 в периодической модулированной последовательности сигналов постоянной составляющей напряжения эта последовательность импульсов на входе компаратора 19 смещается относительно нулевой оси времени так, что для одного периода будет выполняться равенство вольт-секундных площадей положительных и отрицательных импульсов. Для временной диаграммы на фиг. 4 (выход схемы 18) будет выполняться равенство S₁+S₃=S₂. Суть работы прибора состоит в том, чтобы вольт-секундная площадь S₁ была равной нулю (S₁= 0, следовательно, напряжение в первой половине периода модуляции равно нулю). Это достигается в радиометре непрерывным слежением за уровнем и полярностью напряжения в первом полупериоде модуляции на входе компаратора, выходной сигнал которого определяет режим работы реверсивного счетчика на увеличение или уменьшение его кода. Непрерывное слежение заключается в изменении содержимого реверсивного счетчика на один младший разряд после каждого периода модуляции. Изменение содержимого реверсивного счетчика приводит во второй половине периода модуляции к изменению времени t_шис нахождения триггера широтно-импульсного сигнала в единице. Следовательно, изменением времени протекания повышенного тока через опорный излучатель, генерирующего в этот момент мощность теплового излучения I_оп2 при неизменном времени t_мод (длительность нахождения триггера 24 в единице), достигается смещение модулированной последовательности сигналов относительно нулевой линии и приведение S₁ к нулю. Фазировка входов компаратора 19 (неинвертирующий вход подключен к общей шине, а инвертирующий - к выходу схемы 18) выполнена так, что если импульс S₁ положительный, код реверсивного счетчика уменьшается и длительность t_шис широтно-импульсного сигнала увеличивается. И наоборот, если импульс S₁ отрицательный, код реверсивного счетчика увеличивается, что приводит к уменьшению длительности широтно-импульсного сигнала.

В любом случае следящий режим работы радиометра стремится выполнить условие S₁= 0, чтобы временная диаграмма сигналов на входе компаратора 19 имела вид, показанный на фиг. 5, для которой выполняется равенство вольт-секундных площадей отрицательного и положительного импульсов
S'₂ = S'₃. (2)
В свою очередь
S'₂ = U_-(t_мод-t'_шис),
S'₃ = U₊t'_шис. (3)
где U_- и U₊ - амплитуды отрицательного и положительного импульсов, соответственно, t'_шис - длительность широтно-импульсного сигнала, когда вольт-секундная площадь импульса S₁=O.

Амплитуды импульсов согласно (1) равны
U_- = Kqw(I_вх-I_оп1),
U₊ = Kqw(I_оп2-I_вх), (4)
Подставив (4) в (3) и учитывая (2), получим
KqW(I_вх-I_оп1)(t_мод-t'_шис = KqW(I_оп2-I_вх)t'_шис.

Откуда выражаем длительность широтно-импульсного сигнала
t'_шис = (I_вх - I_оп1) t_мод/(I_оп2-I_оп1). (5)
Таким образом, если на входе компаратора 19 в первом полупериоде модуляции напряжение равно нулю, длительность t'_шис включенного состояния триггера широтно- импульсного сигнала прямо пропорциональна мощности теплового излучения I_вх измеряемого объекта, не зависит от коэффициента усиления К всего измерительного тракта радиометра и вольт-ваттной чувствительности q датчика и зависит только от стабильности величин I_оп1 и I_оп2 опорного излучателя 7. В этом случае можно утверждать, что в радиометре достигнут нулевой баланс.

Режим работы радиометра следящий. Изменение сигнала I_вх приведет к тому, что на входе компаратора 19 в первом полупериоде модуляции появится напряжение (S₁ ≠ 0). Радиометр отрабатывает это изменение пропорциональным изменением длительности t_шис, восстанавливает в измерительном тракте нулевой баланс так, чтобы S₁=0. Скорость установления нового значения t_шис пропорциональна частоте модуляции в радиометре.

Измеряемое тепловое излучение определяется из (5)
I_вх - I_оп1 + (I_оп2 - I_оп1)t_шис/t_мод (6)
Пределы длительности t_шис - ноль и интервал времени t_мод, в течении которого триггер 24 находится в единице. Тогда соответствующие им пределы измеряемого излучения, минимальная и максимальная мощности теплового излучения, из (6) равны:
I_вх,мин - I_оп1 при t_шис=0,
I_{вх,макс} = I_оп2 при t_шис = t_мод (7)
В данном радиометре длительность широтно-импульсного сигнала t_шис определяется кодом реверсивного счетчика, который можно считать выходным цифровым кодом радиометра. Используя соотношение (5), можно перейти от длительностей к их цифровым эквивалентам
N_рсчt_ген = (I_вх-I_оп1) (N_макс+1)t_ген/(I_оп2-I_оп1),
где N_рсч - текущий код реверсивного счетчика, N_макс - максимальный цифровой код двоичного счетчика, когда все его разряды установлены в единицу, t_ген - длительность периода повторения импульсов генератора 26.

Откуда
N_рсч = (I_вх-I_оп1)(N_макс+1)/(I_оп2-I_оп1) (8)
Минимально измеряемое излучение объекта I_вх,мин из (7) соответствует нулевой длительности t_шис, которая возможна в том случае, если в реверсивном счетчике хранится максимальный цифровой код (все разряды счетчика находятся в единице). Для другого предела, когда излучение на входе радиометра принимает максимальное значение I_вх=I_{вх,макс}, длительность t_шис равна длительности t_мод, но формирование такой длительности t_шис возможно в том случае, когда реверсивный счетчик обнулен (все его разряды установлены в ноль). Поэтому, чтобы выполнялось соответствие между цифровым кодом реверсивного счетчика и величиной измеряемого теплового излучения I_вх, код реверсивного счетчика поступает на выходную цифровую шину 28 радиометра через схему инверторов 27. Эта схема выполняет логическую операцию НЕ над входными данными.

В выполненном образце радиометра схема исключения постоянной составляющей 18 представляет собой простейшую цепь из разделительного конденсатора и нагрузочного резистора. Условие, которому должна отвечать схема - это передача через нее импульсной последовательности сигналов с минимальными искажениями формы импульсов. Следующий за этой схемой компаратор 19 выполнен на аналоговой микросхеме К597СА3. На микросхеме К590КН9 собран электронный коммутатор 17. Формирователь импульсов 25 и управляемый прецизионный источник тока 29 собраны по известным схемам (Ланцов А.Л., Зворыкин Л.Н., Осипов И. Ф. Цифровые устройства на комплементарных МДП интегральных микросхемах. -М. : Радио и связь, 1983, с.248; Вареник А.Г., Журин А.А. Стабилизированный экономичный модулятор тока светодиодов // Приборы и техника эксперимента, N 3, 1988, с. 153; Новиков О.П., Федонин А.И. Программируемый источник тока //Приборы и техника эксперимента, N 4, 1988, с. 122; Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинград, отдел-ние, 1988, с. 69). Для построения цифровых схем радиометра (реверсивный и двоичный счетчики, триггеры, генератор импульсов, схема сравнения кодов, схема инверторов, логические элементы 2И-НЕ и НЕ) использована серия микросхем К1561 с малой потребляемой мощностью (ИЕ11 ИЕ10, ИП2, ТМ2, ЛА7, ЛН2).

Предварительный усилитель 2 и усилитель 3 в радиометре, как и в прототипе, осуществляют усиление сигнала в линейной области. Как было показано, изменение коэффициента усиления этих усилителей не влияет на точность измерений. Однако изменение усиления этих усилителей не должно превышать тот предел, выше которого они переходят в нелинейную область передаточной характеристики.

Таким образом, предложенная схема радиометра обладает по сравнению с прототипом двумя основными достоинствами. Благодаря тому, что измерительный тракт радиометра поддерживается в нулевом балансе, на точность измерений прибора не влияет полный коэффициент усиления измерительного тракта радиометра и чувствительность датчика (приемника излучения), если эти изменения коэффициента усиления и чувствительности не вызывают переход усилителей в нелинейную область передаточной характеристики и скорость этих изменений (флуктуации и дрейф) меньше частоты модуляции в радиометре. В схеме управления радиометром содержатся цифровые схемы. Выходной код реверсивного счетчика радиометра пропорционален входному сигналу и линейно связан с ним. Поэтому в предлагаемом радиометре выходной сигнал представлен в цифровом виде без использования аналого-цифрового преобразователя. Используя выходной код радиометра, можно достаточно просто подвергнуть сигнал дальнейшей обработке, состыковав выходную шину с компьютерными средствами.

К динамическому параметру радиометра относится его реакция на быстрое изменение входного сигнала. Скорость отработки радиометром изменений входного сигнала линейная и зависит от разрядности используемых счетчиков и частоты модуляции (скорости вращения диска). В изготовленном образце использованы 10-разрядные двоичный и реверсивный счетчики, максимальный код которых соответствует N_макс= 1023. Частота модуляции в радиометре 100 Гц. Тогда, время переходного процесса в радиометре при мгновенном изменении входного сигнала от I_оп1 до I_оп2 длится (N_макс+1)/100 Гц = (1023+1)•10^-2сек = 10.24 сек.

Этот параметр является вполне приемлемым, так как природа тепловых процессов такова, что они относятся к инерционным квазипроцессам.

Использование: для измерения теплового излучения. Сущность изобретения: в инфракрасный радиометр, содержащий модулятор и приемник излучения, введены электронный ключ, схема исключения постоянной составляющей, аналоговый компаратор, реверсивный двоичный и двоичный счетчики, цифровой компаратор, управляемый прецизионный источник тока, генератор импульсов, формирователь импульсов, первый и второй инверторы, элемент 2И-НЕ, первая и вторая дифференцирующие цепи и схема инверторов. Технический результат - увеличение точности измерений. 5 ил.

Инфракрасный радиометр, содержащий модулятор, представляющий собой металлический диск с равными секторами, причем его поверхность, обращенная к приемнику излучения, зеркальная, приемник излучения, на вход которого вследствие равномерного вращения диска попеременно поступают тепловые излучения объекта и помещенного в термостат опорного источника, установленного под углом к оси приемника, излучение которого поступает в приемник, отражаясь от диска модулятора, в то время как входное излучение перекрыто диском, оптоэлектронную пару, определяющую скорость вращения диска модулятора, установленную с приемником излучения симметрично относительно центра вращения диска, на прямой, проходящей через центр вращения диска модулятора и на равном расстоянии от центра, причем выход приемника подключен к последовательно соединенным предварительному усилителю и усилителю, а выход оптопары соединен с последовательно соединенными усилителем-формирователем, регулятором скорости, двигателем постоянного тока, вращающим диск модулятора, отличающийся тем, что в радиометр введены электронный ключ, схема исключения постоянной составляющей, аналоговый компаратор, сравнивающий сигнал с нулевым уровнем, реверсивный двоичный и двоичный счетчики, цифровой компаратор, сравнивающий коды счетчиков, триггеры формирования широтно-импульсного сигнала и разрешения счета двоичного счетчика, управляемый прецизионный источник тока, генератор импульсов, формирователь импульсов, первый и второй инверторы, элемент 2И-НЕ, первая и вторая дифференцирующие цепи, схема инверторов, выход которой является выходной цифровой шиной радиометра, выход генератора импульсов соединен с первым входом двоичного счетчика, второй вход которого подключен к обратному выходу триггера разрешения счета двоичного счетчика, а первый и второй выходы двоичного счетчика подключены соответственно к первому входу цифрового компаратора и к последовательно соединенным первому инвертору и первой дифференцирующей цепи, второй вход цифрового компаратора подключен к входу схемы инверторов и объединен с выходом реверсивного счетчика, первый вход которого соединен с выходом аналогового компаратора, а второй вход соединен с выходом элемента 2И-НЕ и объединен с входом второго инвертора, выход которого подключен к входу сброса триггера формирования широтно-импульсного сигнала, вход установки которого соединен с выходом цифрового компаратора, а выход подключен к управляемому прецизионному источнику тока, выход которого соединен с опорным источником излучения, выход усилителя подключен к последовательно соединенным электронному ключу, схеме исключения постоянной составляющей, аналоговому компаратору, второй вход аналогового компаратора подключен к общей шине, а второй вход электронного ключа подключен к прямому выходу триггера разрешения счета двоичного счетчика и объединен с первым входом элемента 2И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя и объединен с входом формирователя импульсов, выход которого через вторую дифференцирующую цепь соединен с входом установки триггера разрешения счета двоичного счетчика, вход сброса которого подключен к выходу первой дифференцирующей цепи.