Пирометр Советский патент 1984 года по МПК G01J5/20 

Изобретение относится к радиационной пирометрии и может быть использовано для бесконтактного дистанционного контроля температуры объектов в широком диапазоне температур. В медицинской практике, в сельском Ьсозяйстве, в частности, животноводстве, в ряде условий для технических измерений температуры особую важность имеют устройства, позволяющие оперативно измерять температуру объекта Сез непосредственного с ним сопри косновения. Основной сложностью при разработке такого типа приборов является удовлетворение ряда трудно совместимых требований, в частности высокая точность должна сочетаться с высокой оперативностью в работе, удобством в использовании, высоким энергетическим ресурсом при автономном питании а также повышенными требованиями к окружающей среде. Известен, например, электронный дистанционный инфракрасный термометр Cyclops фирмы Land (Англия), имеющий пироэлектрический чувствительный элемент с инфракрасным фильтром и обладающий портативностью, оперативностью в работе и необходимой эргоно микрй для современного промышленного применения 1. Недостаток этого пирометра заключается в том, что он не обеспечивает достаточной точности измерений. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является пиро метр, содержащий оптическую систему, обтюратор, основной и дополнительный термодатчики, (1юрмирователь опорного сигнала, соединенные усилитель и СИН хронный детектор, согласующий каскад и регистрирующее устройство, причем управляющий вход синхронного детектора соединен с выходом формирователя опорного сигнала, а выход его соединен с входом согласующего каскада, выход йоследнего соединен с регистрирующим устройством 2J. Работа пирометра заключается в попеременном преобразовании тепловых излучений от объекта (через оптическую систему 1) и поверхности обтюратора, принимаемого за излучение окружающей среды, в разностный электрический сигнал с помощью радиационного .пироэлектрического ) датчика, усиление этого сигнала с помощью избирательного усилителя и детектирования его с помощью синхронного детектора, на вход которого подается управляющий сигнал от формирователя опорного сигнала, состоящего из светового излучателя, фотоприемника и усилителя, имеющего частоту, синхронную с частотой сигнала, снимаемого с радиациЪнного датчика. Одновременно с помощью другого (контактного/ теплового датчика формируется сигнал постоянного тока, пропорциональный температуре корпуса прибора, которая принимается за температуру окружающей среды, затем этот сигнал складывается на сумматоре с сигналом, полученным после синхронного детектирования с коэффициентом преобразования, учитывающим нелинейную зависимость аналогового сигнала от температуры объекта. Поскольку известно, что выходной сигнал с датчика линейно пропорционален мощности излучения объекта, точнее разности мощностей излучения от объекта и окружающей среды, а мощность излучения пропорциональна, температуре объекта в четвертой степени, то усиленный сигнал и. с пироэлектрического датчика после детектирования соответствует выражению ). где 1, А2 коэффициенты преобразования теплового пироэлектрического датчика при приеме излучения от объекта и поверхности обтюратора (окружающей среды ), обусловленI ной геометрией излучения и приема энергии; k - коэффициент усиления усилительно-преобразовательноготракта з - постоянная Бoльцмaнa TO - температура объекта. К; Тцц - температура внешней среды,К. Далее, как видно из формулы, для получения выходного аналогового сигнала, соответствующего только температуре объекта, сигнал суммирукуг с аналоговым сигналом и , полученным с преобразователя внешней температуры окружающей среды, предварительно преобразовав его с помощью преобразователя к виду вк где « - коэффициент пропорциональности. При суммировании необходимо очевидно обеспечить равенство коэффициентов при аргументах К.,КйА2, что может быть выполнено с помощью дополнительного усилителя. Таким образом на выходе измерительной схемы получают аналоговый сигнал в виде: где Kj, - коэффициент пропорциональности. В отличие от рассмотренного, аналога данный пирометр характеризуется простотой, . сравнительно малым -энергопотреблением, незначительными аппарат турными затратами, а также использованием элементов широкого применения. Кроме того, схема предусматривает автоматический учет температуры внешней среды, что обеспечивает более вы сокую точность и удобство в работе устройства. Недостатками указанного устройства являются сравнительно высокие тре бования к усилительно-преобразовател ным блокам для получения прецизионной точности измерений. Кроме того, поскольку выходной аналоговый сигнал в рассматриваемом способе пропорционален мощности излучения, а не температуре объекта, с целью дальнейшего получения информации о температуре требуется дополнительное преобра.зование выходного сигнала пропорционально корню четвертой степени, Цель изобретения - повышение точности измерения и уменьшение энергопотребления. Поставленная цель достигается тем что в пирометр, содержащий оптическу систему, обтюратор, основной и допол шительный тepмoдaтч ки, формирователь опорного сигнала, соединенные усилитель и регистрирующее устройство, причем управляющий вход синхронного детектора соединен с выходом формирователя опорного сигнала, а выход его соединен с входом согласующего каскада, выход последнего соединен с регистрирующим устройством, введены преобразователь сигнала постоянного тока, соответствующего температуре окружающей среды, в пере менный, первый резистивный делитель, сумматор переменных сигналов, второй резистивный делитель, вычитающее уст ройство переменных сигналов, третий резистивный делитель, коммутатор, ме хан11ческий пружинный привод и тахоге нератор с ротором, причем выход дополнительного термодатчика соединен с преобразователем, управляющий вход которого соединен с формирователем опорного сигнала, выход преобразователя соединен с первым рез истинным дел телем, выход этого делителя соединено одним из входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом основного термодатчика, а выход зтого сумматора соединен с первым входом вычитающего устройстваf второй вход которого соединен с выходом второго резистивного делителя, вход которого соединен с выходом формирователя опорного сигнала, выход вычитающего устройства соединен с третьим резистивным делителем, выход которого сое дивен с усилителем, управляющие входы второго и третьего резистивных де лителей соединены с коммататором, а обтюратор кинематически соединен с механическим пружинным приводом и ро тором тахогенератора. На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство. . Устройство содержит оптическую си стему 1, основной термодатчик 2, в .частном случае пироэлектрический датчик, обтюратор 3, источник светового потока 4, формирователь опорного сигнала 5, состоящий из фотоприемника 6 видимого излучения и усилителя-формирователя 7, термодатчик .температуры окружающей среды 8, преобразователь 9 сигнала постоянного тока, снимаемого с зтого термодатчика, в сигнал переменного тока, сумматор 10, вычитающее устройство 11, резистивные дели тели 12, 13 и 14, коммутатор 15, избирательный усилитель 16, синхронный детектор 17, согласующий каскад 18 с регистрирующим устройством 19, двигатель 20 с тахогенератором 21. . Работу устройства можно обосновать следующим образом. На вход основного термодатчика, в частном случае пироэлектрического, при вращении обтюратора поступают попеременно ИК-излучения от объекта и поверхности обтюратора, обусловленные их температурой нагрева. При этом температура нагрева обткратора определяется температурой окружающей среды. Выходной сигнал этого термодатчика имеет следующую зависимость от температуры где TU - температура поверхности объекта; Tg - внешняя температура окружающей среды; 5л - крутизна преобразователя датчика; , - коэффициенты преобразования лучистых потоков, связанных с геометрией приема излучений; - знак, определяющий периодичность сигнала; ijj - частота прерывания; t - время. Аппроксимируют амплитудные характеристики этого термодатчика линейными участками с равными интервалами температур от объекта и окружающей среды. В соответствии с линейной аппроксимацией выражение для выходного сигнала термодатчика может быть представлено в виде xstg-nujt , где ti - крутизна преобразования на i-TOM линейном участке амплитудной характеристики основного термоз 1атчика в зависимости от температуры объекта; тр; - крутизна преобразования на J-TOM линейном участке ё1мплитудной характеристики с сновного термодатчика в зависимости от температуры внешней среды; а. и Ь. - весовые коэффициенты О или 1) J Т .иТ.- начальные значения абсолют ной температуры объекта и внешней среды в начальных точках i-ro и j-ro линейных участков соответственно; п - число линейных участков; дТ линейные интервалы температур на каждом участке; 5д. nSgi.- погрешность аппроксимации на линейных участках; i и j - номера выбираег яах линейных участков на амплитудных ха; рактеристиках основного тер модатчика в зависимости от температуры объекта и окруж ющей среды в момент измереГ реобразуют с помощью контактного дополнительного термодатчика темпера туру внешней окружающей среды в электр ческий сигнал переменного тока, синхройный частоте с сигналом основного термодатчика.В общем случае нелинейну амплитудную характеристику этого пре образователя можно .также аппроксимировать кусочно-линейной зависимостью которую можно записать в виде ,H(.nu,t. где -у - крутизна преобразования на J-TOM участке амплитудной характеристики этого термодатчика в соответствии с - температурой окружающей сре ды; погрешность аппроксимации. Выбирают линейные участки на амплитудных характеристиках обоих датчи ков в соответствии с температурой окружаквдей среды в момент измерений и производят фазное суммирование сиг налов в термодатчиков. После суммиро вания получат измерительный сигнал, соответствующий виду (o)jrjKи(s;н-Sвн): Lot или без учета погрешностей аппроксимации, поскольку теоретически ее мож но сделать как угодно малой, получим .,(T,.iTj5.Vu)t. Весь диапазон измеряемой температуры разбивают на поддиапазоны в соответствии с линейными участками амплитуд ной характеристики основного термо датчика. И для каждого поддиапазона устанавливают соответствующий множительный коэффициент. Формируют для каждого поддиапазона опорные компенсирующие сигналы той же частоты, но противоположной фазы, и по величине соответствующие началу поддиапазонов. При этом опорные компенсационные сигналы можно записать в виде st ridut ), где амплитудное значение опорного сигнала, соответствующее началу i-ro поддиапазона. Выбирают поддиапазон измеряемой температуры и производят суммирование (фазное вычитание) измерительного и соответствующего выбранному поддиапазону опорного сигнала. После суммирования, последующего усиления и детектирования получают аналоговый сигнал, пропорциональный температуре объекта, который можно считать по шкале регистрирукядего устройства с учетом множителя М, соответствующего выбранному поддиапазону (, . .. , п) . ,где к - коэффициент преобразования измерительного тракта. С целью согласования выходного аналогового сигнала со шкалой считывающего прибора одновременно с фазным вычитанием производят корректировку крутизны линейных участков, например, путем изменения коэффициента передачи измерительного сигнгша. Таким образом, повышение точности может быть достигнуто за счет того, что измерительный сигнал формируется на входе измерительного тракта и ведется обработка переменного сигнала, получаемого с основного термодатчика (разбивка на поддиапазоны, су 1мирование, вычитание и т.д ) и тем саииым не требуется дополнительного усилительного тракта для формирования аналогового сигнала, соответствующего внешней температуре окружающей среды, и не требуется последующей обработки аналогового выходного сигнала, соот.ветствующего измеряемой температуре, (ПОСКОЛЬКУ в пределах каждого из поддиапазонов обеспечивается линейная зависимость электрического сигнала от измеряемой температуры. Работа устройства заключается в следующем.. С помощью оптической системы 1 фокусируется ИК-излучение от объекта на приемную площадку основного термодатчика (например, пироэлектрического) 2. С целью преобразования постоянного действующего теплового потока в переменный используется обтюратор 3, кинематически связанный с механическим приводом ( пру;кй11ным двигателем ) 20. С помощью фотоприемника 6 видимого излучения, нащшмер фоторезистора, установленного таким образом по отношению к обтюратору, что видимый лучевой поток света, поступающий на него, прерываетдя синхронно (как и поток ИК-иэлучения), и усилителя-формирователя 7 формируется опорный сигнал, синхронный по частоте с информационным сигналом, снимаемым с основного термодатчика 2.

С целью получения переменного сиг нала, синхронного по частоте с сигна лом основного термодатчика от контактного термодатчика температуры окружающей среды 8, например терморе.зистора, используется преобразователь 9, на вход которого поступает сигнал с этого датчика, а управление производится от формирователя опорного, сигнала 5; Сигнал с преобразователя 9 подают на первый делитель 12, который предназначен для формирования сигнала, соответствующего температуре окружающей среды в момент измерения, равного по величине амплитудному значению основного датчика, имеющего зависимость от этой же температуры (соответствующей излучению поверхности обтюратора J. С делителя 12 и датчика 2 сигналы подают на сум матор 10, который производит фазное суммирование этих сигналов, после чего с выхода сумматора снимают изме рительный сигнал, зависящий только от температуры объекта.

Практически выравнивание передаточных характеристик датчиков в зависимости от температуры окружюащей среды осуществляется следующим образом.

Исключается сигнал с основного датчика, например, путем подсоединения выхода этого датчика к корпусу и тем самым на выходе регистрирующего устройства производится индикация температуры внешней среды. Если измерительный прибор зашкаливает или не соответствует установленньом пределам калибровки, тогда выставляется делитель 12 до тех пор, пока показания на шкале не установятся в заданные пределы. На второй делитель 13 поступает сигнал с усилителя-формирователя 7.

С помощью делителя 13 производится формирование дополнительных опорных сигналов, которые соответствуют началам измерительных поддиапазонов. ,С целью выбора необходимого измери тельного поддиапазона с помощью этого делителя 13 сигналы подаются, например, с помощью (оммутатора 15 последовательно на вход вычитающего устройства 11,на второй вход которого поступает сигнал с выхода сумматора 10. При этом операция фаз«ого вычитания измерительного сигнала с опорными сигналами производится до тех пор, пока выходной сигнал не соответствует установленным пределам шкалы регистрирующего устройства.

Одновременно с переключением опорных сигналов или поддиапазонов с помощьи коммутатора 15 производится коррекция выбранного поддиапазона с помощью третьего делителя 14.

Далее измерительный сигнал поступает на усилитель 16, который, как правило, выполняется избирательным с целью повышения помехоустойчивости измерительной схемы. Сигнал с выхода усилителя 15 поступает на сигнальный вход синхронного детектора 17, на управляющий вход которого поступает сигнал с формирователя опорного напряжения 5.

Далее аналоговый сигнал с синхронного детектора 17 поступает на вход согласующего каскада 18, выход которого соединен с аналоговым реи истрирующим устройством 19, например малогабаритным микроамперметром или вопьметром.

С целью обеспечения полного автономного питания измерительной схемы для получения необходимой ЭДС используют тахогенератор 21, который кинематически связан с обтюратором 3 и механическим двигателем 20 с пружинным заводом.

Предлагаемое устройство с точки зрения точностных характеристик, энергопотребления и удобства использования выгодно отличается от прототпа. Поскольку сигналы с датчиков поступают на один измерительный тракт, то тем самым уменьшаются требования к усилительно-преобразовательным блокам и соответственно гарантируется более высокая точность при измерениях. Кроме того, в схеме устройства используется меньшее число активных узлов, требующих существенного энергопотребления (не требуется активного усилительного тракта для сигнала с датчика внешней температуры ).

В схеме производится решение необходимых алгоритмов в процессе измерений с малыми сигналами на уровне первичного преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал и, тем самым, требуется меньше энергопотребления при формировании опорных сигналов и сигнала, соответствующего температуре окружающей среды.

Поскольку регистрирующее устройство работает на одном пределе шкалы, которая имеет линейную зависимость от измеряемой температуры, уменьшаются аппаратурные затраты йри преобразовании аналохового сигнала с помощью АЦП в цифровой отсчет.

ПИРОМЕТР, содержащий оптическую систему, обтюратор, основной и дополнительный термодатчики, формирователь опорного сигнала, соединенные усилитель и синхронный детектор/ согласующий каскад и регистрирующее устройство, причем управляю1ций вход синхронного детектора соединен с выходом формирователя опорного сигнала, а выход его соединен с входом согласующего каскада, выход последнего соединен с регистрирующим устройством, отличающееся тем, что, с целью повышения.точности изме-, рения и уменьшения энергопотребления, в устройство введены преобразователь сигнала постоянного тока, соответствующего температуре окруюащей среды. в переменный, первый резистивный де- литель, сумматор переменных сигналов, второй резистивный делитель, вьиитающее устройство переменных сигналов, третий резистивный делитель, коммутатор, механический пружинный привод и тахогенератор с ротором, причем выход дополнительного термодатчика соединен с преобразователем, управляющий вход которого соединен с формирователем опорного сигналнс выход преобразователя соединен с первым резистивным делителем, выход этого делителя соединен с одним из входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом основного термодатчика, а выход этого сумматора ( соединен с первым входом вычитающего «Л устройства, второй вход которого соединен с выходом второго резистивного с делителя, вход которого соединен с выходом формирователя опорного сиг-, нала, выход вычитающего устройства соединен с третьим резистивньм делителем, выход которого соединен с усилителем, управляющие входы второго и третьего резистивных делителей соединены с коммутатором, а обтюратор киел нематически соединен с механическим пружинным приводом и ротором тахоге41 нератора. № со

19