МНОГОКАНАЛЬНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ПИРОМЕТР Российский патент 2005 года по МПК G01J5/60 

Изобретение относится к измерительной технике в части создания многоканальных радиационных пирометров и может быть использовано в качестве быстродействующего прецизионного измерителя температуры объекта при исследовании материалов в широком диапазоне температур.

Известен двуканальный радиационный цветовой пирометр, содержащий расположенные по ходу излучения исследуемого объекта оптическую систему, светоделительное устройство, оптически связанные с ним два приемника излучения на двух разных длинах волн, включенных на регулируемые нагрузки, по отношению сигналов в которых в устройстве определяется цветовая температура объекта. Устройство предназначено для работы в качестве пирометра - сигнализатора цветовой температуры и датчика в системе автоматического регулирования температуры объекта по спектральному отношению [1].

Преимуществом данного устройства, использующего двуканальную систему регистрации излучения исследуемого объекта, является то, что данная система регистрации оказывается малочувствительной к наличию между исследуемым объектом и оптической системой водяных паров, газов, пыли, взвесей и тому подобных элементов промежуточной среды, ослабляющих принимаемое оптической системой излучения от объекта, поскольку сигналы на выходе обоих каналов ослабляются примерно в одинаковое число раз и, практически, не влияют на точность определения цветовой температуры по отношению сигналов в каналах.

Недостатком известного устройства как пирометра является высокая погрешность при измерении температуры объектов, характеризующихся излучательной способностью с сильной зависимостью от длины волны излучения. Это обусловлено тем, что, как известно (см., например, Д.Я.Свет “Объективные методы высокотемпературной пирометрии при непрерывном спектре излучения”, “Наука”, М., 1968, с.4), для реальных объектов связь между их температурой и энергией излучения определяется (помимо закона Планка) конкретными характеристиками их излучательной способности, которая, в свою очередь, зависит от длины волны излучения, материала объекта и состояния его поверхности. Однако в процессе пирометрии в реальных условиях ни излучательная способность объекта, ни ее зависимость от длины волны чаще всего неизвестны. Поэтому оказывается невозможно скомпенсировать изменение отношения сигналов в каналах, возникающее за счет неодинаковых для каналов значений излучательной способности. В итоге одним и тем же измеренным значениям цветовой температуры могут соответствовать различные значения истинной температуры объекта, что не удовлетворяет точностным требованиям современной метрологии.

Известен многоканальный радиационный пирометр, являющийся наиболее близким к описываемому, содержащий расположенные по ходу излучения исследуемого объекта оптическую систему, светоделительное устройство, два канала определения яркостной температуры объекта на двух разных длинах волн, а также канал определения цветовой температуры объекта и регистратор, при этом каждый из каналов определения яркостной температуры объекта содержит приемник излучения, усилитель, соответственно, первый или второй аналого-цифровой преобразователь, и первый или второй преобразователь кода, причем оптический вход приемника излучения в каждом канале связан со светоделительным устройством, а электрический выход - с входом усилителя, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, первый выход которого связан с первым входом преобразователя кода, первый выход которого подключен к, соответственно, первому или второму входу регистратора, а канал определения цветовой температуры объекта содержит первый делитель и третий преобразователь кода, при этом первый и второй вход первого делителя подключен ко второму выходу, соответственно, первого или второго аналого-цифрового преобразователя, выход первого делителя связан с входом третьего преобразователя кодов, первый выход которого соединен с третьим входом регистратора [2].

Преимуществом данного устройства является наличие трех каналов информации о температуре объекта: о двух яркостных температурах на разных длинах волн и о цветовой температуре по спектральному отношению двух первых. Эти данные позволяют путем последующей математической обработки результатов измерения скомпенсировать неучитываемое в процессе измерения влияние на точность измерения температуры объекта нелинейной зависимости излучательной способности объекта от длин волн излучения, на которых идет процесс измерения температур объекта.

Недостатком устройства является невозможность непосредственно в процессе измерения обеспечить корректирование результатов измерения температуры объекта в соответствии с реальной его излучательной способностью, что снижает точность измерения до значений погрешности измерения порядка 5%.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет обеспечения возможности корректирования результатов измерения температуры объекта непосредственно в процессе измерения в соответствии с реальной излучающей способностью объекта с заданной точностью.

Поставленная цель достигается тем, что в многоканальном радиационном пирометре, содержащем расположенные по ходу излучения исследуемого объекта оптическую систему, светоделительное устройство, два канала определения яркостной температуры объекта на двух разных длинах волн, а также канал определения цветовой температуры объекта и регистратор, при этом каждый из каналов определения яркостной температуры объекта содержит приемник излучения, усилитель, соответственно, первый или второй аналого-цифровой преобразователь, и первый или второй преобразователь кода, причем оптический вход приемника излучения в каждом канале связан со светоделительным устройством, а электрический выход - с входом усилителя, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, первый выход которого связан с первым входом преобразователя кода, первый выход которого подключен к, соответственно, первому или второму входу регистратора, а канал определения цветовой температуры объекта содержит первый делитель и третий преобразователь кода, при этом первый и второй вход первого делителя подключен к второму выходу, соответственно, первого или второго аналого-цифрового преобразователя, выход первого делителя связан с входом третьего преобразователя кодов, первый выход которого соединен с третьим входом регистратора, согласно изобретению, устройство дополнительно снабжено вторым делителем, умножителем, последовательным регистром сдвига, схемой сравнения, содержащей блок памяти для задания допустимой величины погрешности измерения температуры объекта, а также прерывателем цепи, при этом второй выход третьего преобразователя кода соединен с каждым из вторых входов первого и второго преобразователя кода, а каждый из вторых выходов первого и второго преобразователя кода соединен, соответственно, с первым или вторым входом второго делителя, выход которого подключен к второму входу умножителя, который установлен между первым делителем и третьим преобразователем кода так, что выход первого делителя соединен с первым входом умножителя, выход которого связан с входом третьего преобразователя кода, при этом вход последовательного регистра сдвига соединен с вторым выходом третьего преобразователя кода, первый и второй выходы регистра сдвига соединены, соответственно, с первым и вторым входом схемы сравнения, выход которой связан с управляющим входом нормально замкнутого прерывателя цепи, установленного в цепи второго выхода третьего преобразователя кода между входом регистра сдвига и вторыми входами первого и второго преобразователя кода.

Сущность изобретения состоит в том, что выявлен алгоритм возможности корректирования влияния зависимости от длины волны реальной излучательной способности объекта на результат измерения температуры непосредственно в процессе измерения, который воплощен в введении в устройство второго делителя, умножителя, последовательного регистра сдвига, схемы сравнения с указанным блоком памяти и прерывателя цепи и описанных связей между элементами устройства, что обеспечивает повышение точности измерения до значений, соответствующих современным требованиям метрологии в области пирометрии.

Блок-схема устройства представлена на чертеже.

Многоканальный радиационный пирометр содержит расположенные по ходу излучения исследуемого объекта 1 оптическую систему 2, светоделительное устройство 3, два канала определения яркостной температуры объекта на двух разных длинах волн λ₁ и λ₂, а также канал определения цветовой температуры объекта и регистратор 4. При этом каждый из каналов определения яркостной температуры объекта содержит приемник, соответственно, 5 или 6 излучения, усилитель, соответственно, 7 или 8, первый 9 или второй 10 аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и первый 11 или второй 12 преобразователь кода. Причем оптический вход приемника 5 или 6 излучения в каждом канале связан со светоделительным устройством 3, а электрический выход - с входом усилителя, соответственно, 7 или 8, выход которого соединен с входом соответствующего АЦП 9 или 10. Первый выход АЦП 9 или 10 связан с первым входом соответствующего преобразователя 11 или 12 кода, первый выход которого подключен к, соответственно, первому или второму входу регистратора 4. Канал определения цветовой температуры объекта содержит первый делитель 13 и третий преобразователь кода 14. Первый и второй вход первого делителя 13 подключен к второму выходу, соответственно, первого 9 или второго 10 АЦП. Выход первого делителя 13 связан с входом третьего преобразователя 14 кодов, первый выход которого соединен с третьим входом регистратора 4. Устройство дополнительно снабжено вторым делителем 15, умножителем 16, последовательным регистром 17 сдвига, схемой 18 сравнения, содержащей блок 19 памяти для задания допустимой величины погрешности измерения температуры объекта (например, с помощью внешнего программатора), а также прерывателем 20 цепи. При этом второй выход третьего преобразователя 14 кода соединен с каждым из вторых входов первого 11 и второго 12 преобразователя кода. Каждый из вторых выходов первого 11 и второго 12 преобразователя кода соединен, соответственно, с первым или вторым входом второго делителя 15. Выход делителя 15 подключен к второму входу умножителя 16, который установлен между первым делителем 13 и третьим преобразователем 14 кода так, что выход первого делителя 13 соединен с первым входом умножителя 16, выход которого связан с входом третьего преобразователя 14 кода. При этом вход последовательного регистра 17 сдвига соединен с вторым выходом третьего преобразователя 14 кода. Первый и второй выходы регистра 17 сдвига соединены, соответственно, с первым и вторым входом схемы 18 сравнения, выход которой связан с управляющим входом нормально замкнутого прерывателя 20 цепи, установленного в цепи второго выхода третьего преобразователя 14 кода между входом регистра 17 сдвига и вторыми входами первого 11 и второго 12 преобразователей кода. На чертеже не показаны сети питания используемых элементов.

Варианты используемых в устройстве стандартных элементов, составляющих блок-схему, приведены в примерах реализации устройства.

Устройство работает следующим образом.

Излучение объекта 1, энергия которого определяется нелинейными характеристиками излучательной способности ε(λ) объекта, зависящими от длины волны (при этом значение ε(λ₁) - на длине волны λ₁, ε(λ₂) - на длине волны λ₂ к началу измерений неизвестны), воспринимается оптической системой 2 пирометра и разделяется светоделительным устройством 3 на два потока с длинами волн: λ₁ - в первом канале определения яркостной температуры объекта, и λ₂ - во втором канале определения яркостной температуры объекта. В каждом из этих каналов соответствующий приемник 5 или 6 излучения преобразует энергию этих потоков излучения в пропорциональный электрический сигнал I(λ₁) и I(λ₂). В каждом канале соответствующий сигнал усиливается усилителем 7 или 8 и подается на вход АЦП 9 или 10 для перевода его в цифровой код. Далее по первому выходу от АЦП 9 или 10 сигнал поступает на первый вход первого 11 или второго 12 преобразователя кода, на первом выходе каждого из которых появляется значение яркостной температуры на соответствующей длине волны, фиксируемое входом 1 или 2 регистратора 4. Одновременно с первым выходом АЦП 9 и 10 на его втором выходе появляется такой же сигнал, который от каждого АЦП поступает на соответствующий вход 1 или 2 первого делителя 13 для получения значения отношения сигналов в каналах I(λ₁)/I(λ₂). Выход первого делителя несет информацию о цветовой температуре объекта в цифровом виде, который подлежит преобразованию с помощью третьего преобразователя 14 кода в значение цветовой температуры объекта, поступающее на третий вход регистратора 4. Если бы были известны заранее значения излучательной способности ε(λ) объекта на длинах волн λ₁ и λ₂, на которых ведется измерение температуры объекта (при этом эти значения ε(λ₁) и ε(λ₂) вносят существенные искажения в измеренные значения температуры при допустимых инструментальных погрешностях), можно было бы любым известным путем предварительно ввести значения ε(λ₁) и ε(λ₂) в пирометр для компенсации ослабления излучения сигнала, вызванного отличием реальной излучательной способности от единицы, характерной для идеального излучателя - абсолютно черного тела (АЧТ). Однако на практике реальные значения излучательной способности ε(λ₁) и ε(λ₂) - неизвестны, по крайней мере, с допустимой точностью. Для решения задачи учета при измерении температуры объекта неизвестных в момент измерения величин ε(λ₁) и ε(λ₂) в описываемом устройстве предварительно, перед началом работы, в блоке 19 памяти схемы 18 сравнения задается (например, с помощью внешнего программатора) значение допустимой величины погрешности измерения температуры объекта. Сигнал с второго выхода преобразователя 14 кода, несущий информацию о значении цветовой температуры объекта и полученный в первой описанной выше последовательности прохождения сигналов в устройстве, поступает на вторые входы первого 11 и второго 12 преобразователя кода, а также на вход последовательного регистра 17 сдвига, где остается в первой его ячейке. С вторых выходов преобразователей 11 и 12 кода сигналы в цифровом виде, пропорциональные величине, соответственно каналам, ε₁(λ₁) и ε₁(λ₂), поступают, соответственно, на первый и второй входы второго делителя 15, на выходе которого сигнал, пропорциональный отношению ε₁(λ₁)/ε₁(λ₂) поступает на второй вход умножителя 16. В это время на первый вход этого умножителя поступает, как описано выше, сигнал I(λ₁)/I(λ₂) с выхода первого делителя 13. На выходе умножителя 16 сигнал равен I(λ₁)·ε₁(λ₁)/I(λ₂)·ε₁(λ₂), то есть первоначальный сигнал спектрального отношения, уменьшенный на отношение ε₁(Δ₁)/ε₁(λ₂), поступает во второй раз на вход третьего преобразователя 14 кода. Новый уменьшенный сигнал с второго выхода преобразователя 14 кода поступает, как описано раньше, на вход регистра 17 сдвига и вторые входы преобразователей 11 и 12 кода. При поступлении на вход последовательного регистра 17 сдвига второго по очереди поступления сигнала, поступивший первым в регистр 17 сигнал смещается во вторую ячейку, а новый входной сигнал занимает первую ячейку. При этом на обоих выходах 1 и 2 регистра 17 появляются сигналы, которые поступают на первый и второй входы схемы 18 сравнения. В это время уже описанным выше путем новые сигналы от преобразователя 14 кода, прошедшие через преобразователи 11 и 12 кода, поступили на входы второго делителя 15. Эти сигналы пропорциональны уже новым значениям ε₂(λ₁) и ε₂(λ₂), поскольку они обусловлены уже другим значением температуры на втором выходе преобразователя 14 кода. Результат деления новых значений ε₂(λ₁) и ε₂(λ₁) с помощью умножителя 16 корректирует значение спектрального отношения на выходе делителя 13, при этом на преобразователь 14 кода поступает новое скорректированное значение цветовой температуры объекта. Цикл повторяется до тех пор, пока не будет достигнута заданная точность измерения температуры объекта, значение которой хранится в блоке 19 памяти схемы 18 сравнения. В этот момент с выхода схемы 18 сравнения на управляющий вход прерывателя 20 поступает сигнал, в результате чего нормально замкнутый прерыватель 20 размыкает цепи между вторым выходом третьего преобразователя 14 кода и вторыми входами преобразователей 11 и 12 кода. Цикл измерения температуры объекта завершен. Точность измерения соответствует заданной.

Примеры реализации устройства. Общие данные при различных вариантах реализации устройства:

- диапазоны измеряемых температур: 1200...2800°С;

- диапазоны используемых длин волн: λ₁=0,6...0,7 мкм и λ₂=0,95...1,05 мкм;

- оптическая система пирометра содержит объектив, окуляр, полевую диафрагму;

- относительное отверстие объектива 1/22;

- фокусное расстояние объектива 210 мм;

- показатель визирования пирометра 300:1;

- система визирования - беспараллаксная;

- в поле зрения окуляра видна темная точка - отверстие полевой диафрагмы и область измеряемого объекта вокруг нее, что позволяет ориентироваться, какая часть поверхности измеряется;

- для минимизации зависимости показателей каналов определения яркостной температуры объекта от расстояния объектив допускает фокусировку на объект;

- диапазон рабочих расстояний от пирометра до объекта 0,6...1,1 м;

- конструкция окуляра допускает замену его на миниатюрную видеокамеру со своим объективом (для удобства документирования поведения регистрируемой поверхности в процессе измерения);

- поскольку динамический диапазон канала 0,6...0,7 мкм в заданном температурном диапазоне превышает 2×10⁵, последний разбит на два поддиапазона 1200...2000°С и 1500...2800°С. Поддиапазоны выбраны с перекрытием, что позволяет избежать переключения с одного на другой в ходе измерения;

- быстродействие пирометра не более 20 мс;

- при измерении температур выше 1500°С допускается ослабление сигнала в сравнении с сигналом от излучения находящегося в тепловом равновесии с измеряемым объектом АЧТ на 75%;

- допустимая погрешность измерения не более 1% при измерении температур свыше 1500°С;

- допустимая погрешность измерения не более 2% при измерении температур в диапазоне 1200...1500°С;

- напряжение питания устройства - 220 В;

- частота 50 Гц;

- потребляемая мощность 15 ВА;

- инструментальная погрешность пирометра во всем диапазоне измеряемых температур на излучателе типа МЧТ не превысила 10°С.

Пример 1.

Многоканальный радиационный пирометр, разработки заявителя.

Выполнен на стандартных элементах по схеме, приведенной на чертеже.

Использованы элементы:

- оптическая система - объектив Индустар-51;

- светоделительное устройство в виде двух фильтров типа ИКС-7 и СЗС-25+ОС-14;

- приемник излучения типа ФД-24К;

- усилитель AD795;

- АЦП АD7894;

- преобразователь кода 573РФ2;

- делитель 27512;

- умножитель 27512;

- регистр сдвига 555ИР1;

- схема сравнения 555СП1 с блоком памяти серии АТ24; программа, занесенная в память, установлена на погрешность не более 2%;

- прерыватель цепи 590КН7;

- регистратор цифровой НТ1610.

- объект исследования - образец из легированной стали марки 2Х17Н2, нагреваемый в печи.

Для определения сравнительных точностных параметров данного пирометра температура образца измерялась контрольной термопарой и устройством-прототипом.

Измерение температуры образца проводилось 10 раз.

Температура, измеренная пирометром, равна 1477°С.

Температура, измеренная по термопаре, равна 1450°С.

Температура, измеренная устройством-прототипом, равна 1562°С.

Погрешность измерения пирометром составила 1,9%.

Погрешность измерения устройством-прототипом составила 7,7%.

Пример 2.

Многоканальный высокоточный микропроцессорный дистанционный пирометр, разработки заявителя. Выполнен на стандартных элементах по алгоритму схемы, приведенной на чертеже. Использованы элементы:

- оптическая система - Индустар-37;

- светоделительное устройство в виде дифракционной решетки (разработки заявителя);

- приемник излучения на основе кремния ФДУК-1;

- усилитель AD648;

- АЦП - 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь типа ADS7813;

- процессор типа - АТ89С51, алгоритм работы соответствует блок-схеме, приведенной на чертеже; программа, занесенная в блок памяти схемы сравнения установлена на погрешность не более 1%;

- цифровой индикатор типа АЛС318.

- объект исследования - вольфрамовая нить откалиброванной пирометрической лампы СИС-150.

Для сравнения температура данного объекта измерялась также устройством-прототипом.

Измерение температуры нити проводилось 10 раз.

Температура нити по градуировке равна 2520°С.

Температура, измеренная пирометром, равна 2542°С.

Температура, измеренная устройством-прототипом, равна 2770°С.

Погрешность измерения пирометром составила 0,87%.

Погрешность измерения устройством-прототипом составила 9,9%.

Таким образом, в описанном устройстве за счет введения в него описанных дополнительных элементов и связей между ними обеспечена возможность корректирования с заданной точностью результатов измерения температуры объекта непосредственно в процессе измерения в соответствии с реальной излучающей способностью объекта, что позволяет исследовать высокотемпературные объекты с погрешностью в несколько раз меньшей, чем у известных устройств. Этого до настоящего времени не удавалось достичь в данной области измерений.

Пирометр найдет широкое применение в качестве высокоточного дистанционного радиационного измерителя температуры при исследовании материалов в широком диапазоне температур.

Источники информации:

[1]. Авторское свидетельство СССР №450968, кл. G 01 J 5/60, 1972 г. - аналог.

[2]. А.В.Фрунзе, В.П.Петропавловский. "Высокоточный микропроцессорный дистанционный измеритель температуры (пирометр)", Научная сессия МИФИ - 2002, том 12, с.196-197 - прототип.

Изобретение относится к измерительной технике. В устройстве каждый канал яркостной температуры содержит последовательно соединенные приемник излучения, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и преобразователь кода с выходом на регистратор. Цветовой канал содержит делитель на выходе АЦП яркостных каналов и преобразователь кода с выходом на регистратор. В устройство введены второй делитель, умножитель, регистр сдвига, схема сравнения с блоком памяти задания величины погрешности измерения и прерыватель цепи. Регистр, схема сравнения и прерыватель введены на выходе преобразователя кода цветового канала, этот же выход связан с вторыми входами преобразователей кода в яркостных каналах, вторые выходы которых через второй делитель связаны с входом умножителя, также другим своим входом связанным с первым делителем, а выходом - с входом преобразователя кода цветового канала. Технический результат - повышение точности. 1 ил.

Многоканальный радиационный пирометр, содержащий расположенные по ходу излучения исследуемого объекта оптическую систему, светоделительное устройство, два канала определения яркостной температуры объекта на двух разных длинах волн, а также канал определения цветовой температуры объекта и регистратор, при этом каждый из каналов определения яркостной температуры объекта содержит приемник излучения, усилитель, соответственно первый или второй аналого-цифровой преобразователь и первый или второй преобразователь кода, причем оптический вход приемника излучения в каждом канале связан со светоделительным устройством, а электрический выход - со входом усилителя, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, первый выход которого связан с первым входом преобразователя кода, первый выход которого подключен к соответственно первому или второму входу регистратора, а канал определения цветовой температуры объекта содержит первый делитель и третий преобразователь кода, при этом первый и второй вход первого делителя подключен ко второму выходу соответственно первого или второго аналого-цифрового преобразователя, выход первого делителя связан со входом третьего преобразователя кодов, первый выход которого соединен с третьим входом регистратора, отличающийся тем, что устройство дополнительно снабжено вторым делителем, умножителем, последовательным регистром сдвига, схемой сравнения, содержащей блок памяти для задания допустимой величины погрешности измерения температуры объекта, а также прерывателем цепи, при этом второй выход третьего преобразователя кода соединен с каждым из вторых входов первого и второго преобразователя кода, а каждый из вторых выходов первого и второго преобразователя кода соединен соответственно с первым или вторым входом второго делителя, выход которого подключен ко второму входу умножителя, который установлен между первым делителем и третьим преобразователем кода так, что выход первого делителя соединен с первым входом умножителя, выход которого связан со входом третьего преобразователя кода, при этом вход последовательного регистра сдвига соединен со вторым выходом третьего преобразователя кода, первый и второй выходы регистра сдвига соединены соответственно с первым и вторым входом схемы сравнения, выход которой связан с управляющим входом нормально замкнутого прерывателя цепи, установленного в цепи второго выхода третьего преобразователя кода между входом регистра сдвига и вторыми входами первого и второго преобразователя кода.