Устройство для измерения температуры нагретого объекта Российский патент 2021 года по МПК G01J5/58 

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике, а в частности к средствам бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел.

Известен пирометр, реализующий способ бесконтактного измерения температуры (RU 2149366 С1, 20.05.2000). Данный способ использует 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 равном главному углу падения луча, и выделении в детектируемом сигнале разности ортогонально поляризованных компонент излучения, по которой определяют температуру поверхности объекта.

Недостатки этого известного способа - 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.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип оптический пирометр (см. Э.Г. Миронов, Н.П. Бессонов. Метрология и технические измерения: учебное пособие. М.: КОНУРС, 2016. - 422 с. - стр. 371-371). Этот оптический пирометр включает в себя: исследуемый объект, температура которого измеряется; оптическую систему; светофильтр; термометрическую лампу с нитью накаливания; окуляр; ЭДС источника питания с переменным сопротивлением и миллиамперметром, проградуированным в градусах Цельсия.

Если температура исследуемого объекта больше температуры нити накаливания термометрической лампы, то в окуляре можно увидеть темную нить на светлом фоне. Яркость свечения нити регулируется переменным сопротивлением. Изменяют сопротивление до тех пор, пока нить не сольется с фоном, который дает исследуемый объект. В результате температура нити накаливания будет равной температуре исследуемого объекта, что достигается при вполне определенной силе тока, протекающий по нити накаливания и миллиамперметру под действием ЭДС источника питания.

При измеряемой температуре меньшей температуры нити накаливания можно увидеть в окуляре светлую нить на темном фоне. В этом случае с помощью переменного сопротивления уменьшается сила тока до тех пор, пока нить накаливания не сольется с фоном от объекта исследования.

Отсчет показаний проводится по миллиамперметру, проградуированному в градусах Цельсия.

Недостатком этого известного пирометра можно считать низкую точность из-за погрешности взаимодействия миллиамперметра с источником питания и погрешности отсчитывания, складывающей из погрешности интерполяции и погрешности параллакса.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение точности измерения температуры.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения температуры нагретого объекта, содержащее, оптическую систему, преобразующую тепловое излучение нагретого объекта в видимое излучение, термометрическую лампу с нитью накаливания, окуляр, предназначенный для рассматривания изображения глазом, ЭДС источника питания с переменным сопротивлением, введены СВЧ-генератор с варакторной перестройкой частоты, блок питания постоянного тока и проградуированный в градусах Цельсия частотомер, причем выход ЭДС источника питания с сопротивлением соединен с термометрической лампой с нитью накаливания и варактором СВЧ-генератора с варакторной перестройкой частоты, вход по питанию СВЧ-генератора подключен к выходу блока питания постоянного тока, выход энергии СВЧ-генератора соединен с входом проградуированного в градусах Цельсия частотомера.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что на основе использования СВЧ-генератора с варактороной перестройкой частоты, можно обеспечить измерение температуры нагретого объекта частотой выходных колебаний генератора.

Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения температуры нагретого объекта посредством частоты выходных колебаний СВЧ-генератора с варактороной перестройкой частоты, при его перестройке в зависимости от изменения температуры объекта, с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения температуры.

На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Устройство содержит оптическую систему 1, термометрическую лампу с нитью накаливания 2, окуляр 3, ЭДС источника питания с переменным сопротивлением 4, СВЧ-генератор с варакторной перестройкой частоты 5, частотомер 6 и блок питания постоянного тока 7. На фигуре цифрой 8 обозначен нагретый объект.

Предлагаемое устройство, предзначенное на диапазон измерения температур 800-1400°С, работает следующим образом. До начала процесса измерения температуры нагретого тела, с помощью блока питания постоянного тока 7 осуществляют питание СВЧ-генератора с варакторной перестройкой частоты 5. Частотомером 6 фиксируется частота выходных электромагнитных колебаний данного генератора с нулевой частотой перестройки. После этого тепловое излучение от нагретого до 1100°С (для измерения температуры можно использовать, например, термопару) объекта 8, направляют на оптическую систему 1, производимую преобразование теплового излучения в видимое излучение. Далее видимым излучением, соответствующим средней температуре выше указанного диапазона температур, воздействуют на термометрическую лампу с нитью накаливания 2, питаемую от ЭДС источника питания с переменным сопротивлением 4. Одновременно с этим в окуляре 3 наблюдают поведение (характерный вид изображения) нити накаливания в зависимости от изменения температуры нагретого тела.

Пусть температура 1100°С нагретого объекта больше температуры нити накаливания. Тогда в окуляре можно увидеть темную нить на светлом фоне. Согласно работе данного технического решения для того, чтобы температура нити соответствовала температуре (1100°С) нагретого тела, необходимо увеличить яркость свечения нити. В этом случае яркость свечения нити можно увеличить (регулирование) посредством переменного сопротивления ЭДС источника питания. Изменяя сопротивления до тех пор, пока нить не сольется с фоном, который дает исследуемый объект. Следовательно, в таком случае можно говорить уже о равенстве температуры нити и средней температуры 1100°С объекта.

Так как, в предлагаемом техническом решении ЭДС источника питания с переменным сопротивлением, параллельно осуществляет питание варактора СВЧ-генератора, то изменение (увеличение) тока (для сравнения яркости светового потока с яркостью нити) одновременно в цепях термометрической лампы с нитью накаливания и варакторного диода СВЧ-генератора, даст возможность перестроить частоту последнего. В силу этого при средней температуре объекта на выходе генератора, устанавливают частоту с учетом средней величины диапазона изменения частоты при варакторном перестройке, т.е. частота выходных колебаний генератора, измеряемая частотомером 6, должна соответствовать частоте выходных колебаний генератора с нулевой перестройкой частоты плюс половина от диапазона перестраиваемой частоты. Другими словами, если обозначить частоту выходных колебаний генератора без варакторной перестройки f₀, а максимальную пересматриваемую частоту - f_п относительно частоты f₀, то при средней температуре объекта нагрева, показание частотомера должно равняться f₀+f_п/2. Следовательно, по этой частоте можно судить о средней температуре (1100°С) нагретого объекта.

При измеряемой температуре меньшей температуры нити накаливания в окуляре можно увидеть светлую нить на темном фоне. В этом случае с помощью переменного сопротивления уменьшают силу тока до тех пор, пока нить накаливания не сольется с фоном от объекта контроля. Следовательно, уменьшение силы тока обусловит уменьшение перестраиваемой частоты генератора. В итоге о температуре ниже 1100°С нагретого объекта можно судить по частоте выходных колебаний генератора меньше суммы частот f₀+f_п/2. Согласно предлагаемому техническому решению при температуре нагретого объекта выше 1100°С, процедура сравнения яркости светового потока с яркостью нити, предусматривает, как уже было показано выше, увеличение силы тока в цепях термометрической лампы с нитью накаливания и варакторного диода СВЧ-генератора, что свою очередь приведет к увеличение перестраиваемой частоты генератора. Отсюда можно заключить, что при температуре нагретого объекта выше 1100°С о ее величине можно судить по частоте выходных колебаний генератора больше суммы частот f₀+f_п/2. При этом максимальная температура (1400°С) нагретого объекта должна соответствовать сумме частот f₀+f_п выходных колебаний генератора, а минимальная (800°С) - разности частот f₀-f_п, т.е. частоте колебаний с нулевой частотой перестройки. Отсчет показаний в устройстве проводится по частотомеру, проградуированному в градусах Цельсия.

Таким образом, в предлагаемом устройстве благодаря определению частоты выходных колебаний СВЧ-генератора с варакторной перестройкой частоты при его перестройке в зависимости от изменения температуры нагретого объекта, можно обеспечить повышение точности измерения температуры нагретого объекта.

При реализации предлагаемого устройства, в качестве СВЧ-генератора с варакторной перестройкой частоты, может быть использован генератор ГЛПД - 2 с диапазоном электрической перестройки 105 МГц. При этом на базе генератора более с широким диапазоном электрической перестройки и вводом дополнительно в устройство светофильтра может быть расширен диапазон измерения температуры нагретого объекта.

Одним из преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с прототипом можно считать исключение амплитудного измерения сигнала, содержащего информацию о температуре. Другим - возможность передачи информацию о температуре дистанционно на расстояние.

Область применения данного устройства очень велика. Его основная задача это бесконтактно измерение температуры в труднодоступных местах и в местах с агрессивными средами, а также объекты, которые находятся в постоянном движении или расположены в электро- или пожароопасных местах.

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике, а в частности к средствам бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел. Предложено устройство для измерения температуры нагретого объекта, содержащее оптическую систему, преобразующую тепловое излучение нагретого объекта в видимое излучение, термометрическую лампу с нитью накаливания, окуляр, предназначенный для рассматривания изображения глазом, ЭДС источника питания с переменным сопротивлением. Также в устройство введены СВЧ-генератор с варакторной перестройкой частоты, блок питания постоянного тока и проградуированный в градусах Цельсия частотомер. Причем выход ЭДС источника питания с сопротивлением соединен с термометрической лампой с нитью накаливания и варактором СВЧ-генератора с варакторной перестройкой частоты, вход по питанию СВЧ-генератора подключен к выходу блока питания постоянного тока, выход энергии СВЧ-генератора соединен с входом проградуированного в градусах Цельсия частотомера. Технический результат - повышение точности измерения температуры. 1 ил.

Устройство для измерения температуры нагретого объекта, содержащее оптическую систему, преобразующую тепловое излучение нагретого объекта в видимое излучение, термометрическую лампу с нитью накаливания, окуляр, предназначенный для рассматривания изображения глазом, ЭДС источника питания с переменным сопротивлением, отличающееся тем, что в него введены СВЧ-генератор с варакторной перестройкой частоты, блок питания постоянного тока и проградуированный в градусах Цельсия частотомер, причем выход ЭДС источника питания с сопротивлением соединен с термометрической лампой с нитью накаливания и варактором СВЧ-генератора с варакторной перестройкой частоты, вход по питанию СВЧ-генератора подключен к выходу блока питания постоянного тока, выход энергии СВЧ-генератора соединен с входом проградуированного в градусах Цельсия частотомера.