Устройство для измерения температуры по инфракрасному излучению объекта Советский патент 1991 года по МПК G01J5/02 

Изобретение относится к радиационной пирометрии, в частности к устройствам для бесконтактного измерения температуры нагретых объектов по инфракрасному излучению, и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования температуры.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства и повышение точности измерения температуры за счет автоматического определения и учета при расчете температуры степени черноты поверхности объекта контроля, степени поглощения инфракрасного излучения промежуточной средой и эквивалентной температуры фона.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство в начальной фазе его работы, разрез; на фиг. 2 - устройство с одним приемником излучения и сканирующим устройством, вид сверху; на фиг. 3 - то же, с двумя приемниками излучения; на фиг. 4 и 5 - другие фазы работы устройства; на фиг. б - прерыватель излучения (вид А-А на фиг, 1).Устройство для измерения температуры по инфракрасному излучению объекта содержит эталонный источник 1 излучения, представляющий собой полость с регулируемой температурой и встроенным термопреобразователем, оптическую систему 2, прерыватель 3 излучения с чередующимися прозрачными 4 и зеркальными непрозрачными 5 секторами, включающий привод 6 для осуществления вращательного движеиия, компенсирующее устройство 7 в виде зачерненной пластины, установленной так, что она частично перекрывает исследуемое поле зрения с возможностью регулирова- ния степени этого перекрытия, объект-свидетель 8 с излучательной способностью поверхности Ј0 0,5 и регулируемой температурой, снабженный встроенным термо- преобразователем 9. сканирующее устройство в виде клиновидного двухстороннего зеркала 10, снабженного приводом 11 для осуществления возвратно- вращательных движений вокруг оптической оси, приемник 12 излучения. Если используется второй приемник 13 излучения (фиг. 3), то клиновидное зеркало 10 не имеет привода 11 и установлено неподвижно.

Клиновидное двухстороннее зеркало 10 установлено симметрично относительно оптической оси. Оси симметрии приемника 12 излучения (когда он один) и эталонного источника 1 излучения расположены в плоскости, проходящей через оптическую ось, и наклонены к оптической оси под углом, равным углу при вершине клиновидного зеркала 10. В варианте исполнения с двумя приемниками излучения (12 и 13) оси симметрии приемников излучения раСположе- ны в плоскости, наклоненной к оптической оси под тем же углом. Зеркальные непрозрачные сектора 5 прерывателя 3 излучения установлены под углом, близким к половине угла при вершине клиновидного зеркала 10 к плоскости, перпендикулярной оптической оси. Обьект-свидетель 8 установлен вблизи объекта 14 контроля.

Устройство работает следующим образом.

Привод 6 вращает прерыватель 3 излучения, при этом перед окном оптической системы 2 поочередно устанавливаются прозрачные 4 и зеркальные непрозрачные 5 сектора. В зависимости от положения сек- торов прерывателя излучения относительно окна оптической системы и от положения клиновидного зеркала 10 можно выделить шесть последовательных фаз работы устройства.

В первой фазе зеркальный непрозрачный сектор 5 полностью перекрывает окно оптической системы, а клиновидное зеркало 10 расположено в нейтральном положении, т.е. перпендикулярно плоскости, в которой находятся оси симметрии приемника 12 излучения и эталонного источника 1 излучения (фиг, 1, 2). При этом излучение эталонного источника 1, отражаясь от зеркального сектора 5, попадает на приемник 12 излучения, поэтому его выходной сигнал пропорционален потоку излучения эталонного источника 1 излучения.

Во второй фазе зеркальный непрозрачный сектор прерывателя 3 излучения перекрывает нижнюю часть окна оптической системы 2 (фиг. 4), При этом излучение эталонного источника 1 перекрыто, клиновидное зеркало 10 с помощью привода 11 повернуто в такое положение, что в поле зрения приемника 12 излучения находится объект 14 контроля, поэтому выходной сигнал приемника 12 излучения пропорционален потоку излучения, испускаемому объектом 14 контроля, равному сумме его собственного излучения и отраженного от него излучения окружающих предметов (фона).

В третьей фазе перед окном оптической системы 2 расположен прозрачный сектор 4 прерывателя 3 излучения (фиг. 5), а клиновидное зеркало 10 остается в том же положении, что и во второй фазе. При этом излучение эталонного источника 1, отразившееся от клиновидного зеркала 10, через оптическую систему 2 направлено одновременно и на объект 14 контроля, и на объект-свидетель 8, а выходной сигнал приемника 12 излучения пропорционален потоку излучения, раоному сумме собственного инфракрасного излучения объекта 14 контроля и отраженных от него излучений фона и эталонного источника 1.

В четвертой фазе, длительность которой равна сумме длительностей второй и третьей фаз, расположение зеркального непрозрачного сектора 5 в клиновидного зеркала 10 такое же, как в первой фазе, т.е. излучение эталонного источника 1 попадает на приемник 12 изпучения.

В пятой фазе, как и во второй, зеркальный непрозрачный сектор 5 прерывателя 3 излучения перекрывает нижнюю часть окна оптической системы 2, т.е. излучение эталонного источника 1 перекрыто. Но клиновидное зеркало 10 с помощью привода 11 повернуто в противоположное положение по сравнению с второй фазой, поэтому в поле зрения приемника 12 излучения находится объект-свидетель 8 и выходной сигнал приемника 12 излучения пропорционален потоку излучения, испускаемому объектом- свидетелем 8, равному сумме его собственного излучения и.отраженного от него излучения фона.

В шестой фазе, как и в третьей, перед окном оптической системы 2 расположен прозрачный сектор 4 прерывателя 3 излучения, а клиновидное зеркало 10 остается в том же положении, что и в пятой фазе. При этом излучение эталонного источника 1, как и в третьей фазе, направленоодновременно и на объект 14 контроля и на объект-свидетель 8, а выходной сигнал приемника 12 излучения пропорционален потоку излучения, равному сумме собственного инфракрасного излучения объекта-свидетеля 8 и отраженных от него излучений фона и эталонного источника 1.

Далее вновь наступает первая фаза, длительность которой равна сумме длительностей пятой и шестой фаз.

Когда устройство выполнено с двумя приемниками 12 и 13 излучения, а привод 11 клиновидного зеркала 10 отсутствует (фиг, 3), в зависимости от положения секторов прерывателя излучения относительно окна оптической системы можно выделить три характерные последовательные фазы работы устройства.

В первой фазе зеркальный непрозрачный сектор 5 полностью перекрывает окно оптической системы 2 (фиг. 1). При этом излучение эталонного источника 1, отражаясь от зеркального сектора 5, попадает на приемники 12 и 13, поэтому их выходные сигналы пропорциональны потоку излучения эталонного источника 1 излучения.

Во второй фазе зеркальный непрозрачный сектор 5 прерывателя 3 излучения перекрывает нижнюю часть окна оптической системы 2 (фиг. 4). При этом излучение эталонного источника 1 перекрыто, а в поле зрения первого и второго приемников 12 и 13 находятся соответственно объект 14 контроля и объект-свидетель 8. Выходные сигналы приемников 12 и 13 излучения пропорциональны потокам излучения, испускаемым соответственно объектом 14 контроля и объектом-свидетелем 8, равным сумме их собственных излучений и отраженных от них излучений фона.

В третьей фазе перед окном оптической системы 2 расположен прозрачный сектор 4 прерывателя 3 излучения (фиг. 5). При этом излучение эталонного источника 1,отразившееся от клиновидного зеркала 10, через оптическую систему 2 направлено одновременно и на объект 14 контроля, и на объект- свидетель 8 (фиг. 3), а выходные сигналы приемников 12 и 13 излучения пропорциональны потокам излучения, равным сумме собственных инфракрасных излучений соответственно объекта 14 контроля и объекта-свидетеля 8 и отраженных от них изпуче- ний фона и эталонного источника 1.

Далее вновь наступает первая фаза,

длительность которой равна сумме длительностей второй и третьей фаз.

Отметим, что при перекрытии окна оптической системы 2 зеркальным непрозрачным сектором 5 прерывателя 3 излучения

приемник 12 излучения (или приемники 12 и 13 излучения) получает не только излучение полости эталонного источника 1, но и собственное излучение зеркального сектора 5 прерывателя 3, зависящее от его температуры, в то время, как при установке прозрачного сектора 4 перед окном оптической системы 2 приемник 12 излучения (приемники 12 и 13 в исполнении с двумя приемниками) практически не видит прерыватель.

Для компенсации влияния этого фактора на результат измерения устройства содержит компенсирующее устройство 7 в виде зачер- ненной пластинки, установленное вблизи прерывателя 3 излучения таким образом,

что она частично перекрывает исследуемое поле зрения. Степень этого перекрытия устанавливается такой, чтобы площадь перекрытия сегмента равнялась произведению площади поля зрения на излучательную

способность ЕЗП зеркального сектора 5 прерывателя 3 излучения. Таким образом, и при установке перед окном оптической системы - прозрачного сектора 4 прерывателя 3 на приемник 12 излучения попадает, как и при

закрытом окне, дополнительный поток излучения, равный собственному излучению зеркального сектора 5 прерывателя 3 излучения. При выделении разностных сигналов их составляющие, пропорциональные указанным дополнительным потокам излучения, взаимно компенсируются.

Таким образом, на выходе приемника 12 излучения (соответственно приемников 12 и 13 в исполнении по фиг. 3) получаются комбинированные выходные сигналы, из которых можно выделить в виде переменных сигналов: сигналы, амплитуды которых пропорциональны разности

лучистых потоков, испускаемых эталонным источником 1 и объектом контроля или эталонным источником 1 излучения и объектом-свидетелем 8, а также сигналы, амплитуды которых пропорциональны

приращениям лучистых тепловых потоков, исходящих от объекта 14 контроля или объекта-свидетеля 8, произошедших вследствие отражения от них части теплового потока, направленного на них от эта л он ного источника 1 излучения.

Используя полученные разностные информационные сигналы, а также сигналы от второго термопреобразователя, пропорциональные температуре приемников излучения; от третьего термопреобразователя, пропорциональные температурам объекта- , - свидетеля, и от четвертого термопреобразо- / , пропорциональные температуре источника излучения по иэвест- г/м&м Йюмулам можно получить коэффици- Лч ентг з лучения поверхности объекта, -коэффициент пропускания среды, эквивалентную температуру фона и действитель- нуюЧтемпературу объекта.

Формула изобретения 1. Устройство для измерения температуры по инфракрасному излучению объекта, содержащее приер чик излучения, эталонный источник излучения, представляющий собой полость с регулируемой температурой и встроенным термопреобразователе.м, оптическую систему, прерыватель излучения с чередующимися прозрачными и зеркальными непрозрачными секторами, установленными так, что при расположении перед окном оптической системы зеркальных непрозрачных секторов в поле зрения приемника излучения находится эталонный источник излучения, и компенсирующее устройство в виде зачерненной пластины, установленной так, что она частично перекрывает контролируемое поле зрения с возможностью регулирования степени этого перекрытия, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей м повышения точности измерения, устройство дополнительно содержит

преобразователь температуры приемника излучения, объект-свидетель с излучатель- ной способностью поверхности е0 0,5 и с регулируемой температурой, установленный вблизи объекта контроля и снабженный встроенным термопреобразователем, а также сканирующее устройство, установленное в оптической системе так, что при расположении перед окном оптической системы прозрачного сектора прерывателя излучения в поле зрения приемника излучения находится поочередно то объект контроля, то объект-свидетель, при этом излучение от эталонного источника направлено и на объект контроля, и на объект-свидетель, а при расположении перед одной частью окна оптической системы прозрачного сектора и перед другой частью - непрозрачного сектора прерывателя излучения в поле зрения приемника излучения находится поочередно то объект контроля, то объект-свидетель, а излучение от эталонного источника перекрыто.

2. Устройство по п. отличающееся тем, что оно в качестве сканирующего устройства дополнительно содержит второй приемник излучения, установленный так, что в поле его зрения находится эталонный

источник излучения при расположении перед окном оптической системы зеркального непрозрачного сектора прерывателя излучений или объект-свидетель при расположении там же прозрачного сектора, а в поле

зрения первого приемника излучения, соответственно находятся эталонный излучатель или только объект контроля,

П А

11

Фиг. 1

1

Изобретение относится к радиационной пирометрии, в частности к устройствам для бесконтактного измерения температуры нагретых объектов по инфракрасному излучению, и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования температуры. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства и повышение точности измерения температуры за счет автоматического определения и учета при расчете температуры степени черноты поверхности объекта контроля, степени поглощения инфракрасного излучения промежуточной средой и эквивалентной температуры фона. В устройстве процесса измерения последовательно производится измерение излучения от эталонного источника излучения, от объекта измерения с наложенным на него фоновым излучением, от объекта с фоновым излучением и отраженным от него излучением эталонного источника и от объекта-свидетеля, расположенного вблизи объекта измерения, с наложенным на него фоновым излучением. По измеренным сигналам вычисляются действительная температура объекта измерения, а также коэффициент излучения контролируемой поверхности, степень поглощения промежуточной средой и эквивалентная температура фона. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. чэ Ј

Фиг.З

Фиг. 5