ПИРОМЕТР Российский патент 2004 года по МПК G01J5/58 

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике, а в частности к средствам бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел, в т.ч. полупроводниковых пластин в технологических установках, изделий из металлов, керамики, пластмасс, при их термообработке, расплавов металлов в металлургии.

Известен способ бесконтактного измерения температуры (и пирометр на его основе) (см. Pepperhof W., Arch. Eisehuttenwes, 1959, В. 30, 3, р. 131-135), заключающийся в том, что "излучение поверхности регистрируют" под углом визирования 80^o от нормали к поверхности излучения. В излучении выделяется компонента, поляризованная в плоскости наблюдения, и по интенсивности излучения этой компоненты определяется температура поверхности. (Выделенное кавычками - признаки, присущие предмету изобретения).

Известные способ и пирометр применимы для измерения температур 1000-2000^oС, когда отраженное от образца излучение фона пренебрежимо мало по сравнению с собственным излучением.

Известен способ бесконтактного измерения температуры (и пирометр на его основе) (см. Tingwaldt С. Р. , Magdeburg H., TMCSI, 1962, v.3, part 1, р. 483-486), заключающийся в измерении отношения двух ортогонально поляризованных компонент излучения поглощающей поверхности под углом 45^o к ней. При этом выполняется соотношение R_q(λ) = R2k

В данном способе, как и в предыдущем, используется видимый диапазон спектра, в котором анализируемые объекты (например, металлы) непрозрачны и дают достаточно яркое излучение, по сравнению с которым отраженное поверхностью излучение фона пренебрежимо мало. Кроме того, при углах визирования, отличающихся от 45^o, нарушается приведенное выше соотношение и, соответственно, оказывается невозможным расчет температуры поверхности.

В диапазоне температур поверхности объектов 0÷650^oС, которые используются в технологических установках осаждения и эпитаксии, видимые диапазоны излучений неприменимы из-за недостаточной яркости излучения, а в среднем инфракрасном диапазоне излучение фона (конструкции оборудования, стенок реактора), отраженное поверхностью объекта, сопоставимо с собственным излучением объекта и вносит существенную погрешность в измерения.

Известен способ дистанционного измерения температуры поверхности объектов (и пирометр на его основе) (см. Гордов А.Н., Жугалло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. - М.: Наука, 1992, с.232-243), состоящий в "приеме излучения объекта оптической системой" пирометра, "спектральной фильтрации этого излучения" и модуляции, включающей последовательную коммутацию на датчик (детектор, приемник излучений) с заданной частотой двух потоков излучения - от объекта и эталонного источника, преобразовании в электрический сигнал, его усилении и выделении в этом сигнале переменной составляющей, пропорциональной разности коммутируемых сигналов, "по величине (интенсивности) этого сигнала" и известным характеристикам эталонного излучения "определяется" условная "температура объекта", а истинная температура находится по известной калибровочной зависимости с учетом независимо измеренной температуры стенок реактора или конструктивных элементов технологического оборудования. (Выделенное кавычками - признаки, присущие предмету изобретения).

Недостатком известного способа и пирометра является необходимость применения эталонного источника теплового излучения, что существенно увеличивает аппаратурную избыточность пирометра, повышает его габаритно-весовые и энергетический показатели, усложняет эксплуатацию.

Известны как более близкие по технической сущности к предмету изобретения способ бесконтактного измерения температуры и пирометр на его основе (см. патент RU 2149366, кл. G 01 J 5/58, Н 01 L 21/66, б. 14, 2000 г.), использующий "прием теплового излучения объекта, спектральную фильтрацию", его модуляцию, детектирование, усиление на частоте модуляции, выделение переменной составляющей, регистрацию излучения под углом к нормали к поверхности излучения, равным главному углу падения луча, и выделении в детектируемом сигнале разности ортогонально поляризованных компонент излучения, по которой "определяют температуру поверхности объекта".

Пирометр (по патенту RU 2149366, м.кл. G 01 J 5/58, H 01 L 21/66, б. 14, 2000 г.) содержит "вход" (канал из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала) "оптической связи объекта с пирометром", полосовой фильтр, поляризатор, объектив, диафрагму, "датчик (детектор) теплового излучения" и блок регистрации. (Выделенное кавычками - признаки, общие с предметом изобретения).

Недостатки известных способа и пирометра - необходимость поляризации излучения, его модуляции и детектирования, значительная алгоритмическая сложность определения температуры и, как результат, значительная аппаратурная избыточность, низкая надежность в работе и значительная эксплуатационная сложность.

Кроме того, известные способы бесконтактного измерения температуры и пирометры обладают общим недостатком, состоящим в критичности к углам визирования, расстоянию от объекта до приемника излучений, неприменимостью для измерения температуры в широком, от сотен до десятков тысяч градусов по Цельсию, диапазоне температур.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей пирометра за счет обеспечения измерения температуры при нефиксированных углах визирования и нефиксированных расстояниях между объектом, температура поверхности которого измеряется, и датчиками пирометра.

Технический результат достигается тем, что в пирометр, содержащий вход, из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала, оптической связи и датчик излучения нагретого тела, на оптической оси с входом, введены второй датчик на оптической оси с входом, причем датчики обеспечены селективными на двух разных длинах волн свойствами, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), соединенные информационными входами с выходами первого и второго датчиков соответственно, элемент сравнения, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами первого и второго датчиков соответственно, первый и второй элементы ИЛИ, соединенные входами поразрядно с выходами первого и второго АЦП соответственно, группы первых, вторых, третьих и четвертых элементов И, причем группа первых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами с первым выходом элемента сравнения, группа вторых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами с третьим выходом элемента сравнения, группа третьих элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами с третьим выходом элемента сравнения, и группа четвертых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами с первым выходом элемента сравнения, первый арифметический блок, соединенный поразрядно первыми входами с выходами групп первых и четвертых элементов И, а вторыми входами поразрядно с выходами групп вторых и третьих элементов И, группа пятых элементов И, соединенных первыми входами с выходом первого элемента ИЛИ, вторыми входами с выходом второго элемента ИЛИ, а третьими входами поразрядно с выходами первого арифметического блока, задатчик коэффициента пропорциональности, второй арифметический блок, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами группы пятых элементов И и задатчика соответственно, а выходами поразрядно с группой первых (информационных) выходов устройства, третий элемент ИЛИ, соединенный входами поразрядно с выходами второго арифметического блока, формирователь переднего фронта импульса, соединенный входом с выходом третьего элемента ИЛИ, а выходом со входами управления первого и второго АЦП, и шестой элемент И, соединенный первым и вторым входами с выходами первого и второго элементов ИЛИ, а выходом со вторым выходом пирометра.

Схема пирометра приведена на чертеже.

Пирометр содержит вход 1 теплового излучения, первый 2 и второй 3 датчики уровня (мощности) теплового излучения на длинах волн λ₁ и λ₂ соответственно, первый 4 и второй 5 аналого-цифровые преобразователи (АЦП), соединенные информационными входами с выходами датчиков 2 и 3 соответственно, элемент сравнения 6, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами первого 4 и второго 5 АЦП соответственно, первый 7 и второй 8 элементы ИЛИ, соединенные входами с выходами первого 4 и второго 5 АЦП соответственно, группу первых 9, вторых 10, третьих 11 и четвертых 12 элементов И, первые входы группы первых 9 и группы третьих 11 элементов И поразрядно соединены с выходами АЦП 4, первые входы группы вторых 10 и группы четвертых 12 элементов И поразрядно соединены с выходами АЦП 5, вторые входы групп 9 и 12 элементов И соединены с первым выходом элемента 6 сравнения, вторые входы групп 10 и 11 элементов И соединены с третьим выходом элемента 6 сравнения, первый 13 арифметический блок, соединенный поразрядно первыми входами с выходами первых 9 и четвертых 12 элементов И, а его вторые входы поразрядно соединены с выходами групп вторых 10 и третьих 11 элементов И, группу пятых 14 элементов И, соединенных первыми входами с выходом первого 7 элемента ИЛИ, вторыми входами с выходом второго 8 элемента ИЛИ, а третьими входами поразрядно с выходами первого 13 арифметического блока, задатчик 15 коэффициента пропорциональности, второй 16 арифметический блок, соединенный поразрядно первыми и вторыми входами с выходами группы пятых 14 элементов И и задатчика 15 соответственно, а выходами с группой первых 17 выходов пирометра, третий 18 элемент ИЛИ, соединенный входами с выходами второго 16 арифметического блока, формирователь 19 переднего фронта импульса, соединенный входом с выходом третьего 18 элемента ИЛИ, а выходом со входами управления АЦП 4 и 5, и шестой 20 элемент И, соединенный входами с выходами первого 7 и второго 8 элементов ИЛИ, а выходом со вторым выходом пирометра.

Пирометр работает следующим образом.

Задатчиком 15 устанавливается код значения коэффициента q пропорциональности, зависящего от значений длин волн λ₁ и λ₂ по q = α|λ₁-λ₂|, где α - постоянный коэффициент размерности, вход 1 теплового излучения устанавливается в направлении на объект О, температура поверхности которого подлежит измерению, при этом на датчики 2 и 3 по входу 1 поступает излучение с поверхности объекта О. Датчики 2 и 3, обладая избирательностью на излучения с λ₁ и λ₂ соответственно, на своих выходах генерируют аналоговые сигналы U₂ = f(ε_λ1) и U₃ = f(ε_λ2), а АЦП 4 и 5 преобразуют аналоговые сигналы U₂ и U₃ в цифровые коды N₄=f(U₂) и N₅=f(U₃) соответственно. По результатам сравнения кодов N₄ и N₅ на первом выходе элемента 6 сравнения генерируется единичный потенциал при N₄>N₅, на втором выходе элемента 6 сравнения генерируется высокий потенциал при N₄=N₅, а на третьем выходе генерируется единичный (высокий) потенциал при N₄<N₅. На выходах элементов 7 и 8 ИЛИ устанавливаются высокие (единичные) потенциалы тогда и только тогда, когда N₄>0 и N₅>0. Высоким (единичным) потенциалом с первого выхода элемента 6 сравнения по вторым входам открываются группы 9 и 12 элементов И, а высоким (единичным) потенциалом с третьего выхода элемента 6 сравнения по вторым входам открываются группы 10 и 11 элементов И, при этом содержимое выходов АЦП 4 (N₄) и АЦП 5 (N₅) поступает на первые и вторые или на вторые и первые соответственно входы первого 13 арифметического блока, который определяет коды значений N₁₃=N₄/N₅ или N₁₃=N₅/N₄, что однозначно соответствует N₁₃ = ε_λ1/ε_λ2 или N₁₃ = ε_λ2/ε_λ1. Код N₁₃ поступает на третьи входы группы 14 элементов И, которые открываются при единичных потенциалах на первых и вторых их входах. Содержимое выходов первого 13 арифметического блока N₁₃ через группу 14 элементов И поступает на первые входы второго 16 арифметического блока, на вторые входы которого поступает код N₁₅ значения коэффициента q пропорциональности (N₁₅ = α|N_ελ1-N_ελ2|), при этом на выходах арифметического блока 16 генерируется код N₁₆, пропорциональный N₁₆ = N₁₃N₁₅ = α|λ₁-λ₂|ε_λ1/ε_λ2 или = α|λ₁-λ₂|ε_λ2/ε_λ1 в градусах К. Этот код поступает на выходы 17 пирометра и может индицироваться дисплеем или использоваться в технологических нуждах для управления технологическим процессом. Кроме того, содержимое выходов арифметического блока 16 N₁₆ через третий 18 элемент ИЛИ поступает на формирователь 19 переднего фронта импульса, коротким импульсом высокого потенциала с выхода формирователя 19 повторно запрашиваются АЦП 4 и АЦП 5, что обеспечивает синхронизацию во времени отсчетов значений N₁₆ ≅ T в градусах К, кроме того, элемент И 20 на своем выходе генерирует высокий потенциал при N₄>0 и N₅>0, т.е. когда чувствительность датчиков 2 и 3 и мощность падающих на них тепловых излучений от объекта О достаточны для измерения температуры объекта О, этот сигнал с выхода элемента И 20 поступает на выход 21 пирометра и может служить признаком приемлемой наводки оптического входа 1 пирометра на объект О, т.е. при периодическом появлении сигнала на выходе 21 оба датчика (2 и 3) реагируют на тепловое излучение объекта О и пирометр способен (или готов) к выполнению функционального назначения.

Известно, что лучеиспускательная способность нагретого тела E_λT при температуре Т по закону Кирхгофа определяется из E_λT = A_λTε_λT, где A_λT - его поглощательная способность, а ε_λT - величина постоянная при данной температуре для все тел; мощность излучения ε по закону Стефана-Больцмана определяется из ε = σT⁴, где σ - постоянная Больцмана; наибольшая излучательная способность приходится на определенную длину волны λ_max, для которой по закону смещения Вина справедливо соотношение λ_maxT = d, где d - постоянная величина; и излучательная способность тела определяется по формуле Планка, как, где с - скорость света в вакууме, λ - длина волны, k - постоянная Больцмана, h - постоянная Планка, a b - коэффициент пропорциональности. Тогда, поскольку значения ε_λT не зависят ни от угла визирования, ни от расстояния от объекта до приемника излучений, в пределах чувствительности приемников, показания пирометра остаются справедливыми и стабильными в широком диапазоне углов визирования и расстояний между объектом и приемниками излучений. Кроме расширения функциональных возможностей пирометр (устройство для бесконтактного измерения температуры) за счет использования фотоэлектрических преобразователей тепловых излучений в электрические сигналы обеспечивает исключение субъективизма, а за счет цифровой обработки информации - повышение точности измерений и возможность его использования в автоматических средствах сбора информации о состоянии объектов в широком диапазоне их динамичности по параметру температуры, а также в автоматических дистанционных средствах управления (регулирования) технологическими процессами. А если еще учесть возможность использования в качестве рабочих длин волн их ультрафиолетовые и инфракрасные области, то область применения пирометра по температурному диапазону простирается от 300÷400 К до 10000÷15000 К.

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике. Пирометр включает вход из вещества, прозрачного в диапазоне используемых длин волн теплового излучения, два фотоэлектрических датчика интенсивности излучения с селекцией на разных длинах волн, два аналого-цифровых преобразователя, элемент сравнения, три элемента ИЛИ, элемент И, пять групп элементов И, задатчик коэффициента пропорциональности, два арифметических блока и формирователь переднего фронта импульсов. Технический результат - пирометр обеспечивает измерение температуры поверхности нагретых тел в широком интервале температур при варьируемых углах визирования и удалениях приемников излучений от их источников, исключение опорного источника излучений, повышение точности и надежности в работе, сокращение эксплуатационных затрат. 1 ил.

Пирометр, содержащий вход, из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала, оптической связи и датчик излучения нагретого тела, на оптической оси с входом, отличающийся тем, что в него введены второй датчик на оптической оси с входом, причем датчики обеспечены селективными на двух разных длинах волн свойствами, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), соединенные информационными входами с выходами первого и второго датчиков соответственно, элемент сравнения, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами первого и второго датчиков соответственно, первый и второй элементы ИЛИ, соединенные входами поразрядно с выходами первого и второго АЦП соответственно, группы первых, вторых, третьих и четвертых элементов И, причем группа первых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами с первым выходом элемента сравнения, группа вторых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами с третьим выходом элемента сравнения, группа третьих элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами с третьим выходом элемента сравнения, и группа четвертых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами с первым выходом элемента сравнения, первый арифметический блок, соединенный поразрядно первыми входами с выходами групп первых и четвертых элементов И, а вторыми входами поразрядно с выходами второй и третьей групп элементов И, группа пятых элементов И, соединенных первыми входами с выходом первого элемента ИЛИ, вторыми входами с выходом второго элемента ИЛИ, а третьими входами поразрядно с выходами первого арифметического блока, задатчик коэффициента пропорциональности, второй арифметический блок, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами группы пятых элементов И и задатчика соответственно, а выходами поразрядно с группой первых (информационных) выходов устройства, третий элемент ИЛИ, соединенный входами поразрядно с выходами второго арифметического блока, формирователь переднего фронта импульса, соединенный входом с выходом третьего элемента ИЛИ, а выходом со входами управления первого и второго АЦП, и шестой элемент И, соединенный первым и вторым входами с выходами первого и второго элементов ИЛИ, а выходом со вторым выходом устройства.