ПИРОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК G01J5/00 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, предназначено для измерения теплового радиоизлучения и может быть использовано в медицине, радиоастрономии, при исследовании физических свойств материалов и сред и для мониторинга технологических режимов в таких областях техники, как металлургия, машиностроение, энергетика и т.д.

Исследования, разработки и контроль производственных процессов, протекающих при исключительно высоких температурах, в условиях вакуума или в условиях нонно-плазменных воздействий требуют применения бесконтактного измерения температуры объекта с помощью ИК-пирометров, позволяющих контролировать физическую температуру объекта путем измерения радиационной (яркостной) температуры, соответствующей мощности электромагнитного излучения объекта в соответствующем диапазоне.

Развитие технологии бесконтактных измерений температуры шло в нескольких направлениях. Поскольку определяемая пирометром яркостная температура зависит не только от действительной температуры исследуемого объекта и его излучательной способности, но и от излучения других тел, если это излучение падает на исследуемый объект или попадает непосредственно в приемное окно пирометра, ряд известных устройств был разработан с целью исключения влияния теплового излучения окружающих объектов путем, например, визирования пирометра на исследуемый объект через вводимые в область нагрева визирные трубы, которые должны быть подведены непосредственно к самому исследуемому объекту (см. Измерение температур в технике. Справочник. Ф. Линевег., М.: Металлургия, 1980 г.).

Усовершенствования пирометров были направлены на снижение влияния на результат измерений окружающих исследуемый объект излучений также за счет геометрического ограничения апертур приемных окон пирометров и согласования размеров апертур с размерами окон в камерах для размещения исследуемого объекта. Так, в устройстве для измерения температуры плазмы в камере, известном по патенту США 4640627 от 03.02.87 г. пироэлектрический блок снабжен детектором, размещенным таким образом, что ИК-излучение проходит через отверстие в камере и попадает во входную апертуру детектора. Также известно пирометрическое устройство для измерения температуры объекта (патенты США 5188458 от 23.02.93 и 5326171 от 05.07.94), в котором уменьшение влияния излучения окружающих объектов достигается за счет геометрического ограничения "поля зрения" как сигнальной, так и опорной оптических систем, соответствующих сигнальному и опорному каналам пирометрического блока. Сигнальный канал расположен так, чтобы воспринимать ИК-излучение, проходящее через оптическое окно в контейнере, внутри которого размещен исследуемый объект. Опорный канал расположен так, чтобы воспринимать излучение от трубки в месте, где нет оптических окон в "поле зрения" канала. Выходной сигнал с каналов поступает на электронный блок, в котором сигнал с выхода опорного канала вычитается из сигнала с выхода сигнального канала, при этом вырабатывается выходной сигнал, однозначно соответствующий уровню ИК-излучения от объекта. В данном устройстве за счет введения в дополнение к измерительному еще и опорного канала решается также задача компенсации влияния на результат измерений излучений от посторонних объектов, таких как элементы крепления исследуемого объекта, камеры, оболочки и т.п.

В некоторых известных устройствах усовершенствования были направлены на решение задач обеспечения необходимой точности измерений в условиях загрязнения среды пылью и испарениями с поверхности сильно нагретого исследуемого объекта, например парами металла. Указанные задачи решались, например, в пирометре по патенту США 4435093 от 06.03.84 г. за счет использования в пирометре оптического пирометрического блока, снабженного тубусом, направленным на исследуемый объект, а также блоком, вырабатывающим компенсационный сигнал, зависящий от степени загрязненности приемного окна пирометра. В указанном пирометре также применены средства для самоочищения окна и опорный канал с температурным сенсором, генерирующим компенсационный сигнал, пропорциональный температуре окружающей среды. Аналогичная проблема напыления паров расплавленных масс на зеркала, окна и другие оптические средства в пирометре по патенту США 5076707 от 31.12.91 г., предназначенном для измерения температуры излучения расплавленной массы в вакууме, решается за счет введения в конструкцию устройства фильтров с вращающимися лопастными колесами, которые размещаются между контейнером с расплавленной массой и пирометром. При приеме ИК-излучения от исследуемого объекта молекулы расплавленного материала остаются на лопастях, а зеркало, установленное после фильтра, свободно от нежелательного запыления и более точно передает ИК-излучение на пирометр.

Одновременно решаются задачи компенсации влияния окружающей среды и устранения явления запыления и загрязнения оптических элементов в пирометре по статье "Инфракрасный пирометр для контроля температуры материалов в вакуумных установках" (Приборы и техника эксперимента, 2001 г., 2, стр.155-158), являющемся ближайшим аналогом разработанного технического решения. Пирометр по указанной статье включает электронный блок, пироэлектрический блок с сигнальным и опорным приемными окнами, связанными соответственно с сигнальной и опорной оптической системами, выполненными в виде трубок, в которые введены диафрагмы. Выходное окно сигнальной оптической системы связано по сигналу с сигнальным окном пирометрического блока, а опорная оптическая система не имеет приемного окна, так что ИК-излучение не попадает в опорное приемное окно пироэлектрического блока. Введение диафрагм в сигнальную оптическую систему позволяет сформировать узкую диаграмму направленности и устранить таким образом влияние фонового излучения на результат измерений, кроме того, на указанных диафрагмах оседают частицы паров металла, что предохраняет от загрязнения сигнальное приемное окно. Выполнение опорной оптической системы с диафрагмами в форме, аналогичной (за исключением отсутствия приемного отверстия) форме выполнения сигнальной оптической системы, повышает точность компенсации нагрева сигнальной оптической системы фоновым излучением, так как в этом случае близки конфигурации обеих систем. Выполнение приемного конца трубки оптической системы опорного канала глухим позволяет предотвратить доступ мешающего фонового излучения к приемному окну опорного канала. Для сохранения высокого вакуума в установке все ИК-световодные элементы приемного датчика соединены с модуляционным оптико-электронным преобразователем через герметичный ввод с ИК-прозрачными стеклами.

Однако введение опорного канала как в ближайшем аналоге, так и в других описанных выше аналогах, а также выполнение в ближайшем аналоге приемного конца трубки оптической системы опорного канала глухим осуществляется без учета того факта, что для более полной компенсации и, соответственно, более высокой точности измерений необходимо учитывать также паразитный нагрев трубки оптической системы приемного канала самим информативным излучением, частично рассеивающимся в трубке.

Задачей, на решение которой направлено разработанное изобретение, является обеспечение в пирометре дополнительной компенсации паразитного нагрева оптической системы приемного канала информативным излучением.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявленного устройства, состоит в повышении точности измерения параметров температуры нагретого тела за счет рассеивания тепла информационного излучения на трубке опорной оптической системы путем пропускания этого излучения через специальные отверстия, находящиеся вне апертуры приемного окна опорного излучения оптической системы.

Указанный технический результат, получаемый при осуществлении заявленного изобретения, состоит в том, что в конструкции пирометра, включающего электронный блок и пироэлектрический блок с сигнальным и опорным приемными окнами, связанными соответственно с сигнальной и опорной оптической системами, выполненными каждая в виде трубки с первой и второй заглушками, размещенными соответственно на приемном и выходном концах трубки, а также с N (N - натуральное) перегородками внутри, при этом в первой и второй заглушках, а также в перегородках сигнальной оптической системы выполнены соосно первые отверстия, а во второй заглушке и в перегородках опорной оптической системы также выполнены соосно первые отверстия,
- в первой заглушке опорной оптической системы выполнено, по меньшей мере, одно второе отверстие, размещенное за границами проекции опорного приемного окна пироэлектрического блока на первую заглушку опорной оптической системы;
- кроме того, в М (M≤N) перегородках опорной оптической системы в каждой выполнено, по меньшей мере, одно второе отверстие, размещенное за границами проекции опорного приемного окна пироэлектрического блока на соответствующую перегородку опорной оптической системы;
- кроме того, суммарная площадь вторых отверстий в первой заглушке опорной оптической системы приблизительно равна площади первого отверстия в первой заглушке приемной оптической системы;
- кроме того, суммарная площадь вторых отверстий, по меньшей мере, в одной из перегородок опорной оптической системы приблизительно равна площади первого отверстия в первой заглушке оптической системы приемного канала;
- кроме того, трубки оптических систем находятся между собой в тепловом контакте;
- кроме того, трубки оптических систем теплоизолированы от окружающей среды;
- кроме того, трубки оптических систем выполнены составными.

Сущность разработанного пирометра заключается в том, что он так же, как и ближайший аналог, содержит электронный блок и пироэлектрический блок с сигнальным и опорным приемными окнами, связанными соответственно с сигнальной и опорной оптической системами, выполненными каждая в виде трубок с первой и второй заглушками, размещенными соответственно на приемном и выходном концах трубки. Трубки выполнены с N (N - натуральное) перегородками внутри, при этом в первой и второй заглушках, а также в перегородках сигнальной оптической системы выполнены соосно первые отверстия, а во второй заглушке и в перегородках опорной оптической системы также выполнены соосно первые отверстия.

Новым в разработанном пирометре является то, что в нем в первой заглушке опорной оптической системы выполнено, по меньшей мере, одно второе отверстие, размещенное за границами проекции опорного приемного окна пироэлектрического блока на первую заглушку опорной оптической системы.

В конкретной реализации в разработанном пирометре в М (M≤N) перегородках опорной оптической системы в каждой выполнено, по меньшей мере, одно второе отверстие, размещенное за границами проекции опорного приемного окна пироэлектрического блока на соответствующую перегородку опорной оптической системы.

В другой конкретной реализации в разработанном пирометре суммарная площадь вторых отверстий в первой заглушке опорной оптической системы приблизительно равна площади первого отверстия в первой заглушке приемной оптической системы.

В другой конкретной реализации в разработанном пирометре суммарная площадь вторых отверстий, по меньшей мере, в одной из перегородок опорной оптической системы приблизительно равна площади первого отверстия в первой заглушке оптической системы приемного канала.

В частном случае в разработанном пирометре трубки оптических систем находятся между собой в тепловом контакте.

В другом частном случае в разработанном пирометре трубки оптических систем теплоизолированы от окружающей среды.

Целесообразно в разработанном пирометре трубки оптических систем выполнять составными.

В разработанном пирометре задача обеспечения в пирометре дополнительной компенсации паразитного нагрева трубки оптической системы приемного канала информативным излучением решается за счет выполнения в первой заглушке опорной оптической системы, по меньшей мере, одного второго отверстия, через которое в трубку проникает информативное излучение. То, что отверстие размещено за границами проекции опорного приемного окна пироэлектрического блока на первую заглушку опорной оптической системы, не позволяет проникающему в трубку информативному излучению попадать в апертуру опорного приемного окна. Выполнение аналогичных отверстий в перегородках опорной оптической системы приводит к канализации информативного излучения в трубке и обеспечивает более полное поглощение порции информативного излучения стенками трубки опорной оптической системы. Подбором значения параметра М можно добиться более адекватного распределения теплового поля в обеих трубках для каждой конкретной ситуации измерений. То, что суммарная площадь вторых отверстий в первой заглушке опорной оптической системы приблизительно равна площади первого отверстия в первой заглушке приемной оптической системы, приводит к нормированию порции мощности информационного излучения, проникающего в трубку опорной оптической системы. Выполнение суммарной площади вторых отверстий приблизительно равной площади первого отверстия в первой заглушке оптической системы приемного канала усиливает указанный эффект. Тепловой контакт и общее теплоизоляционное покрытие сигнальной и опорной оптических систем дополнительно повышает точность компенсации в разработанном пирометре. Выполнение в разработанном пирометре трубок обеих оптических систем составными позволяет повысить точность компенсации при настройке пирометра при калибровке в каждой конкретной ситуации измерений.

На фиг.1 приведена структурная схема пирометра в соответствии с п.1 формулы изобретения
На фиг. 2 показана схема сечения сигнальной и опорной оптических систем пирометра в одной из возможных реализаций в соответствии с п.2 формулы изобретения.

Пирометр по фиг. 1 содержит сигнальную оптическую систему 1 и опорную оптическую систему 2, выходы которых связаны по сигналу соответственно с сигнальным приемным окном 3 и опорным приемным окном 4 пироэлектрического блока 5. Пироэлектрический блок 5 включает два пироэлектрических канала 6 и 7 - сигнальный и опорный соответственно, при этом входы каналов 6 и 7 связаны по сигналу соответственно с сигнальным приемным окном 3 и опорным приемным окном 4. Выходы каналов 6 и 7 соединены соответственно с первым и вторым входом электронного блока 8.

В конкретной реализации разработанного пирометра сигнальная оптическая система 1 по фиг.2 выполнена в виде трубки 9 с первой и второй заглушками 10 и 11 соответственно, при этом опорная оптическая система 2 выполнена в виде трубки 12 с первой и второй заглушками 13 и 14 соответственно. В заглушках 10, 11 выполнены соосно первые отверстия 15. В заглушке 14 выполнено отверстие 16. Внутри трубок 9, 12 размещены в каждой N (N - натуральное) перегородок соответственно 17, 18 с первыми отверстиями 19, выполненными соосно. В заглушке 13 и в перегородках 18 выполнены вторые отверстия 20, 21 соответственно, расположенные за границами проекции окна 4 на соответственно заглушку 13 и перегородки 18. Оптические системы 1, 2 могут быть теплоизолированы с помощью теплоизолирующего контейнера 22.

Сигнальная и опорная оптические системы 1, 2 включают трубки 9, 12, заглушки 10, 11, 13, 14, а также перегородки 17, 18, которые выполняются из металла черненными внутри (см. статью Инфракрасный пирометр для контроля температуры материалов в вакуумных установках, Приборы и техника эксперимента, 2001, 2, стр.156).

Приемные окна 3, 4 выполняются из ИК-прозрачного материала, например германия (см. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Приемники оптического излучения, 1987 г., стр. 273).

Пирометрические каналы 6, 7 пироэлектрического блока 5 могут быть выполнены на пироэлектрическом приемнике излучения типа ПМ-4 (см. статью Инфракрасный пирометр для контроля температуры материалов в вакуумных установках, Приборы и техника эксперимента, 2001 г., 2, стр.156) или типа БП-1 (по книге Аксененко М.Д, Бараночников М.Л., Приемники оптического излучения, 1987 г., стр.273).

Электронный блок 8 может быть выполнен в виде аналогового устройства по статье Инфракрасный пирометр для контроля температуры материалов в вакуумных установках (Приборы и техника эксперимента, 2001 г., 2, стр.157, рис. 3, 4) или в виде микропроцессорного каскада по патенту США 4634294 (фиг.4).

Теплоизолирующий контейнер 22 выполняется из теплоизоляционного материала, например, текстолита (Инфракрасный пирометр для контроля температуры материалов в вакуумных установках. Приборы и техника эксперимента, 2001 г., 2, стр.156).

Пирометр по фиг. 1 с оптическими системами 1, 2 по фиг.2 работает следующим образом.

Оптические системы 1, 2 ориентируются на исследуемый объект, так, чтобы информативное ИК-излучение попадало в отверстие 15 заглушки 10 и в отверстия 20 заглушки 13. При этом в трубки 9, 12 попадает и фоновое излучение. Оптическая система 1 обеспечивает фокусировку ИК-излучения, прошедшего в отверстие 15 заглушки 10, за счет размещенных в трубке 9 диафрагм-перегородок 17 с отверстиями 19, однако часть излучения рассеивается. ИК-излучение из отверстия 15 заглушки 11 поступает на приемное окно 3, которое пропускает порцию ИК-излучения, соответствующую апертуре окна 3, на вход канала 6 пирометрического блока 5. Канал 6 осуществляет преобразование информативного ИК-излучения в сигнал, пропорциональный температуре исследуемого излучения, который с выхода канала 6 поступает на первый вход блока 8. Излучение, прошедшее в отверстие 20 заглушки 13, за счет рассеяния на размещенных в трубке 12 перегородках 18 с отверстиями 21 нагревает трубку 12. Излучение от стенок нагретой трубки 12 и заглушки 13, глухой в зоне проекции на нее приемного окна 4, поступает на приемное окно 4, которое пропускает порцию излучения, соответствующую апертуре окна 4, на вход канала 7 пирометрического блока 5. Канал 7 осуществляет преобразование излучения в сигнал, пропорциональный температуре трубки 12, который с выхода канала 6 поступает на второй вход блока 8. В блоке 8 производится вычитание сигналов, поступивших на первый и второй входы. Таким образом осуществляется учет нагрева трубки 9 фоновым и частично рассеянным информативным ИК-излучением путем определения температуры трубки 12. При теплоизоляции оптических систем 1, 2 от окружающей среды с помощью теплоизолирующего контейнера 22 точность измерений увеличивается.

Пирометр может быть использован в измерительной технике. В пирометре решается задача компенсации паразитного нагрева трубки оптической системы за счет выполнения в заглушке трубки оптической системы опорного канала пирометра за границами проекции опорного приемного окна одного или нескольких отверстий, через которые в указанную трубку проникает информативное излучение. Аналогичные отверстия могут быть выполнены также в перегородках трубки опорной оптической системы. Технический результат - повышение точности измерений. 6 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Пирометр, включающий электронный блок и пироэлектрический блок с сигнальным и опорным приемными окнами, связанными, соответственно, с сигнальной и опорной оптической системами, выполненными каждая в виде трубки с первой и второй заглушками, размещенными, соответственно, на приемном и выходном концах трубки, а также с N (N - натуральное) перегородками внутри, при этом в первой и второй заглушках, а также в перегородках сигнальной оптической системы выполнены соосно первые отверстия, а во второй заглушке и в перегородках опорной оптической системы также выполнены соосно первые отверстия, отличающийся тем, что в первой заглушке опорной оптической системы выполнено, по меньшей мере, одно второе отверстие, размещенное за границами проекции опорного приемного окна пироэлектрического блока на первую заглушку опорной оптической системы. 2. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что в М (M≤N) перегородках опорной оптической системы в каждой выполнено, по меньшей мере, одно второе отверстие, размещенное за границами проекции опорного приемного окна пироэлектрического блока на соответствующую перегородку опорной оптической системы. 3. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что суммарная площадь вторых отверстий в первой заглушке опорной оптической системы приблизительно равна площади первого отверстия в первой заглушке приемной оптической системы. 4. Пирометр по п. 2 или 3, отличающийся тем, что суммарная площадь вторых отверстий, по меньшей мере, в одной из перегородок опорной оптической системы приблизительно равна площади первого отверстия в первой заглушке оптической системы приемного канала. 5. Пирометр по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что трубки оптических систем находятся между собой в тепловом контакте. 6. Пирометр по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что трубки оптических систем теплоизолированы от окружающей среды. 7. Пирометр по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что трубки оптических систем выполнены составными.