СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2002 года по МПК G01J5/08 G01K15/00 

Изобретение относится к области температурных измерений, а более конкретно к оптической пирометрии, и может использоваться при разработке портативных и дешевых приборов (пирометров) для бесконтактного измерения температуры объектов, в том числе в диапазоне, близком к температуре окружающей среды.

Известны способы дистанционного измерения температур объектов по их инфракрасному (ИК) излучению, заключающиеся в оперативной абсолютной калибровке (т. е. калибровке в полевых условиях перед каждым измерением или в процессе измерения) пирометра с помощью опорного источника инфракрасного излучения (источника сравнения), регистрации инфракрасного излучения от исследуемого объекта и отображении информации о температуре этого объекта [1, 2]. Принцип действия подобных пирометров основан на однозначной зависимости излучательной способности нагретых тел от их температуры. Достижимые точности измерения температур, а также сложность и стоимость устройств, реализующих эти способы, во многом определяется методикой измерения и используемыми в них опорными источниками ИК-излучения.

Например, в способе, реализованном в оптическом пирометре [1], в качестве оперативного источника сравнения использована диэлектрическая подложка с нанесенным на нее зачерненным слоем металла (или полупроводника), через который пропускается электрический ток для нагревания подложки. В процессе измерения на приемник попеременно (с частотой в несколько кГц) направляются ИК-излучение то от источника сравнения, то от исследуемого объекта, при этом температура источника сравнения определяется (путем измерения сопротивления элемента - источника сравнения) в момент достижения равенства потоков ИК-излучений. Информация об этой температуре отображается на цифровом индикаторе как температура измеряемого объекта. Этот способ позволил получить точность измерения температуры 0,1^oС в диапазоне измерений 10-60^oС. Недостатком этого способа является относительная сложность устройств, его реализующих (что связано с наличием в них источника сравнения и с необходимостью нагрева его до температуры измеряемого объекта).

Более близким по принципу действия к заявляемому способу измерения температур объектов, является способ, реализованный в оптическом пирометре, описанном в [2]. В нем оперативную калибровку пирометра проводят с помощью источника сравнения - абсолютно черного тела (АЧТ) с температурой 100^oС, которое смонтировано в корпусе пирометра. Процесс измерения температур объектов производят следующим образом. После включения прибора и достижения температуры АЧТ 100^oC с помощью поворотного зеркала, предусмотренного конструкцией прибора, направляют ИК-излучение от источника сравнения на вход прибора. В процессе калибровки излучение, пройдя через вращающийся перфорированный диск (модулятор), попадает на приемник излучения, где преобразуется в переменное напряжение, пропорциональное величине падающего на него потока излучения от АЧТ. Далее, после прохождения через усилитель синхронный детектор и АЦП оно регулируется (подстройкой электронного тракта) так, чтобы на цифровом индикаторе пирометра отображалась температура АЧТ, равная 100^oС.

После калибровки прибор (с помощью поворотного зеркала) наводится на исследуемый участок объекта, при этом ИК-излучение от объекта, промодулированное вращающимся перфорированным диском попадает на приемник излучения, где преобразуется в переменное напряжение, пропорциональное потоку излучения от исследуемого объекта. Далее, пройдя ту же обработку, что и сигнал от источника сравнения в процессе калибровки, сигнал от наблюдаемого объекта отображается на индикаторе, показывая температуру исследуемого участка объекта. Основные недостатки описанного выше способа измерения температур, (который мы рассматриваем как прототип) связаны с необходимостью изготавливать в составе устройства, реализующего этот способ, опорный источник ИК-излучения - АЧТ. Это усложняет конструкцию за счет необходимости размещения в приборе источника опорного излучения (АЧТ), увеличивает габариты, вес и энергопотребление и (в конечном итоге) увеличивает стоимость приборов. Кроме того, увеличивается время подготовки прибора для измерений: для стабилизации температуры источника опорного излучения на уровне 100^oС необходимо около часа.

Предлагаемый способ решает задачу создания предельно простых дешевых и портативных оптических пирометров, сочетающих в себе приемлемую для большинства применений точность измерения температуры (не менее 1^oС) и малое время подготовки прибора для измерений: несколько секунд. Это достигается тем, что при дистанционном измерении температур объектов по их ИК-излучению, заключающемся в оперативной абсолютной калибровке пирометра с помощью опорного источника инфракрасного излучения, регистрации инфракрасного излучения от исследуемого объекта и отображении информации о температуре этого объекта, в качестве опорного источника инфракрасного излучения используется полость рта оператора.

Сущность способа заключается в следующем. Известно, что температура тела здоровых людей в состоянии относительного покоя находится в пределах 36,5^oС-36,8^oС. Кожа и ткани (имеющие высокое содержание воды) обладают высокими коэффициентами излучения ε≈0,9-0,93, и излучают как черное тело. Однако температура кожи человеческого тела (и в особенности его открытых участков) не является постоянной, например, температура кожи рук, лица и др. участков тела из-за прямого солнечного нагрева летом или охлаждения холодным воздухом зимой может существенно отличаться от температуры внутренних тканей. Поэтому наружные поверхности человеческого тела нельзя использовать как стабильные ИК-источники излучения.

В заявке предлагается использовать полость открытого рта оператора в качестве источника достаточно стабильного опорного излучения при измерениях температур объектов по их ИК-излучению. Действительно, температура внутренней поверхности рта (в закрытом состоянии) соответствует температуре тканей человеческого тела и, практически, не зависит (в пределах приемлемой для многих применений точности измерений) от температуры окружающей среды. В процессе измерения температуры исследуемого объекта с помощью пирометра предлагается (на стадии оперативной калибровки) использовать в качестве источника ИК-излучения (источника сравнения) полость открытого рта оператора, который во время калибровки открывает рот, разворачивает прибор так, чтобы прибор регистрировал ИК-излучение из полости открытого рта оператора и включает команду для проведения автоматической калибровки прибора Поскольку для калибровки (подстройки электронного тракта пирометра) требуется не более 2-3 с и калибровку можно производить при задержке дыхания на 2-3 с, то в процессе калибровки температура полости открытого рта сколько-нибудь существенно не изменится.

Для проверки возможности использования полости рта оператора в качестве оперативного источника сравнения при дистанционных измерениях температуры объектов по их ИК-излучению были проведены дистанционные измерения температур полости рта (по ИК-излучению) у нескольких людей. Измерения проводились с помощью тепловизора и с помощью пирометра, конструкция которого защищена Свидетельством на полезную модель 1904. Оба прибора могли измерять температуру с абсолютной ошибкой не более 0,1^oС. В результате многократных измерений было установлено, что разброс измеренных температур полости открытого рта у разных людей не превышает 0,7^oС, что доказывает возможность (в большинстве практических применений) использовать полость рта оператора в качестве оперативного источника сравнения.

Для реализации предложенного способа пригодно устройство, аналогичное пирометру [2] (способ измерения температур, реализованный в этом пирометре был принят за прототип), но без использования находящегося в этом устройстве АЧТ. В этом случае процесс измерения температур объектов производят следующим образом. После включения прибора оператор разворачивает прибор так, чтобы он регистрировал ИК-излучение из полости открытого рта оператора, и проводит калибровку прибора. При этом ИК-излучение из полости рта поступает на вход прибора В процессе калибровки излучение, пройдя, например, через вращающийся перфорированный диск (или иной модулятор), попадает на приемник излучения, где преобразуется в переменное напряжение, пропорциональное величине падающего на него потока излучения от опорного источника. Далее, после прохождения через усилитель синхронный детектор и АЦП оно регулируется (подстройкой электронного тракта) так, чтобы на цифровом индикаторе пирометра отображалась температура полости открытого рта оператора, равная 36,7^oС. После калибровки прибор наводится на исследуемый участок объекта, при этом ИК-излучение от объекта, промодулированное вращающимся перфорированным диском, попадает на приемник излучения, где преобразуется в переменное напряжение, пропорциональное потоку излучения от исследуемого объекта. Далее переменное напряжение, пропорциональное потоку излучения от исследуемого объекта, пройдя ту же обработку, что и сигнал от опорного источника в процессе калибровки, отображается на цифровом индикаторе как температура исследуемого участка объекта.

Следует отметить, что полость рта оператора в этом случае используется как оперативный источник опорного излучения.

Таким образом, решается поставленная задача изобретения - найти путь построения простых и дешевых пирометров (конструкции которых не усложняются источниками опорного ИК-излучения), сочетающих в себе приемлемую для большинства применений точность измерения температуры (не менее 1^oС) и малое время подготовки прибора для измерений: несколько секунд.

Для проверки эффективности предлагаемого способа был разработан лабораторный макет пирометра, функциональная схема которого показана на чертеже. Прибор содержит следующие основные элементы: 1 - зеркальный объектив, 2 - диск прерывателя, 3 - микродвигатель, 4 - ИК приемник, 5 - опто-пара, 6 - предусилитель, 7 - усилитель, 8 - синхронный детектор, 9 - аналого-цифровой преобразователь, 10 - микроконтроллер, 11 - жидкокристаллический индикатор. Прибор конструктивно состоит из двух блоков А и Б, связанных кабелем (как вариант - возможно оформление пирометра в виде единого блока). Блок А содержит кроме того (непоказанные на функциональной схеме) либо визирную трубку, либо указатель цели на полупроводниковом лазерном диоде. Блок Б содержит схему индикации, состоящую из аналого-цифрового преобразователя 9, микроконтроллера 10 и жидкокристаллического индикатора 11, и блока питания 12, состоящего из аккумулятора и схем питания микродвигателя, ИК-приемника, опто-пары и указателя цели. (На чертеже не показаны кнопки управления прибором).

В отличие от всех (известных авторам) ИК дистанционных пирометров в разработанном приборе в качестве опорного источника ИК-излучения используется полость рта оператора.

При работе с прибором используется следующий алгоритм измерений:
1. Оператор открывает рот, приближает объектив прибора к открытому рту так, чтобы прибор регистрировал излучение из полости рта (которая в этом случае играет роль опорного источника ИК-излучения) и нажимает кнопку для проведения автоматической абсолютной калибровки, которая происходит следующим образом. ИК-излучение из полости рта оператора собирается зеркальным объективом 1 и через прерыватель 2, приводимый во вращение микродвигателем 3, направляется на ИК-приемник 4. Опто-пара 5 вырабатывает сигнал для синхронного детектора. Сигнал с ИК-приемника после предусилителя 6 поступает в усилитель 7 и затем в синхронный детектор 8. Далее сигнал после аналого-цифрового преобразователя 9 сравнивается с сигналом микроконтроллера 10, который настроен на величину сигнала от излучения АЧТ с температурой 36,7^oС, и после достижения равенства этих сигналов путем автоматической регулировки коэффициента усиления усилителя 7, отображается на жидкокристаллическом индикаторе 11 в виде числа 36,7^oС или любого символа, показывающего, что калибровка прошла. (При этом установленная в процессе оперативной калибровки величина коэффициента усиления сохраняется до следующей оперативной калибровки).

Продолжительность процесса калибровки равна 2-3 с.

2. Оператор наводит с помощью визирной трубки или светодиодного целеуказателя прибор на измеряемый объект и по цифровому индикатору определяет его температуру.

Процесс измерения температуры по предлагаемому методу прост и доступен широкому кругу лиц, так как необходимая для начала измерений калибровка от излучения опорного источника - полости рта оператора, не требует специальных навыков от оператора. Прибор, реализующий предлагаемый способ, проще известных пирометров, так как в нем нет опорного источника ИК-излучения и, следовательно, прибор дешевле в изготовлении. Предполагается, что подобные приборы найдут применение как носимые, автономные, простые и удобные средства измерения температур различных объектов, например, для измерения температуры буксов железнодорожных вагонов, для измерения температуры электрических контактов воздушных выключателей и во многих других случаях, когда не требуется прецизионная точность измерений.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. В.Д. Бочков, А.А. Гольденвейзер, Е.А. Красовский, И.И. Таубкин Свидетельство на полезную модель 1904 "Оптический пирометр" по заявке 94040691 с приоритетом от 03.11.94 г.

2. А.Н. Гордов, О.М. Жигулло, Л.Г. Иванова "Основы температурных измерений", М.: Энергоатомиздат, 1992, с. 234-237 (прототип).

Изобретение относится к области измерения температуры, а именно к оптической пирометрии, и может использоваться для бесконтактного измерения температуры объектов в диапазоне, близком к температуре окружающей среды. Технический результат: упрощение прибора для дистанционного измерения температуры объектов. Сущность изобретения заключается в том, что производят оперативную абсолютную калибровку пирометра, регистрируют инфракрасное излучение от исследуемого объекта и отображают информацию о температуре этого объекта, причем в качестве опорного источника инфракрасного излучения при калибровке пирометра используется полость открытого рта оператора. 1 ил.

Способ дистанционного измерения температуры, заключающийся в оперативной абсолютной калибровке пирометра по инфракрасному излучению опорного источника, регистрации инфракрасного излучения от исследуемого объекта и отображения информации о температуре этого объекта, отличающийся тем, что оперативная абсолютная калибровка пирометра производится по инфракрасному излучению полости открытого рта оператора.